多倫多大學(xué)推進新金屬增材制造研究，聚焦先進鋼、鎳基高溫合金和高熵合金材料

2023年4月3日，南極熊獲悉，來自多倫多大學(xué)的鄒宇（MSE）教授團隊正在加快推進新型金屬增材制造技術(shù)的研究，主要圍繞選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）和定向能量沉積（DED）技術(shù)展開，研究項目是依托于該校首個金屬3D打印實驗室進行。金屬增材制造技術(shù)使用計算機輔助設(shè)計 (CAD) 逐層構(gòu)建材料，可以為航空航天、生物醫(yī)學(xué)、能源和汽車行業(yè)的制造帶來新的變革。

鄒教授表示："我們正在努力揭示增材制造工藝背后的基本物理學(xué)，并提高增材組件的機械性能，創(chuàng)造出可以實際應(yīng)用的新型結(jié)構(gòu)和功能材料。"該團隊還在應(yīng)用新的實驗和分析方法來更好地理解SLM和DED打印過程。目前，他們的研究重點是先進的鋼材料、鎳基超合金和高熵合金。未來，他們可能會擴展到探索鈦和鋁合金。

△鄒宇教授和他的3D打印團隊在極限力學(xué)與增材制造實驗室進行研究。照片來源：Safa Jinje

與零件或組件由散裝材料制成的傳統(tǒng)制造不同，金屬 3D 打印工藝可以在本地定制微觀結(jié)構(gòu)和材料構(gòu)成。也就是說，與傳統(tǒng)制造相比，它們可以表現(xiàn)出截然不同的特性。來自鄒教授實驗室的 MSE 博士研究生肖尚說：“例如，醫(yī)療植入物需要類似人骨的材料，這些材料外部致密堅硬，但內(nèi)部多孔。對于傳統(tǒng)制造，這真的很難實現(xiàn)，但金屬打印為您提供了更多的控制和定制產(chǎn)品?！?

與減材制造技術(shù)（例如鑄造、模塑和機加工，使用模具創(chuàng)建形狀，或熱加工，其中去除材料以生產(chǎn)零件）相比，增材制造工藝還顯著減少了生產(chǎn)時間、材料成本和能源消耗在生產(chǎn)物體時，例如航空發(fā)動機部件、汽車生產(chǎn)的工具部件、核反應(yīng)堆的關(guān)鍵部件和關(guān)節(jié)植入物。

鄒教授團隊的金屬 3D 打印機主要包括選擇性激光熔化 (SLM) 和定向能量沉積 (DED)，這是當(dāng)今學(xué)術(shù)界和工業(yè)界使用的兩種基本金屬增材制造技術(shù)。首先，CAD 軟件用于創(chuàng)建對象及其層的三維模型。然后，對于每一層，機器都會沉積一層非常薄的金屬粉末，隨后根據(jù)三維模型定義的幾何形狀，用強大的激光將其熔化。熔融金屬凝固后，它會粘附到前一層或基材上。每層完成后，機器將重復(fù)粉末摻雜和激光熔化過程，直到打印完所有層并完成物體。

△使用DED 工藝逐層制造三種不同的幾何形狀。

Tianyi Lyu（碩士研究生）說：“傳統(tǒng)制造技術(shù)仍然非常適合大規(guī)模工業(yè)制造，但是增材制造具有超越傳統(tǒng)技術(shù)的能力。其中包括復(fù)雜幾何形狀的制造、設(shè)計的快速原型制作和定制，以及材料特性的精確控制。例如，牙科專業(yè)人員可以使用 SLM 制作尺寸精度在幾微米以內(nèi)的精確 3D 模型，來幫助患者定制假牙或植入物?？焖僭椭谱鬟€可以輕松調(diào)整義齒設(shè)計。由于植入物在不同的位置可能需要不同的材料特性，這可以通過簡單地改變工藝參數(shù)來實現(xiàn)?！?/div>

團隊的核心成員AjayTalbot（MSE 碩士研究生）則表示："當(dāng)下傳統(tǒng)合金設(shè)計的主要瓶頸之一是創(chuàng)建和測試新材料需要大量的加工時間，而像我們項目中這種類型的高通量材料設(shè)計對于傳統(tǒng)的制造方法來說是不可能實現(xiàn)的。"

通過借助DED等增材制造技術(shù)，研究團隊正在加快對合金成分系統(tǒng)的探索，以嘗試在打印過程中通過添加或去除某些元素來改變材料的組成。

△DED 機器（右）和送粉系統(tǒng)（左）的初始化。照片：Safa Jinje

團隊的另一成員張家輝（MSE博士研究生）說："我們還在努力實現(xiàn)智能制造。在金屬3D打印過程中，高能激光和材料之間的互動只持續(xù)了幾微秒。然而，在這個有限的時間范圍內(nèi)，發(fā)生了多尺度、多物理現(xiàn)象，我們的主要挑戰(zhàn)是獲得捕捉這些現(xiàn)象的數(shù)據(jù)。在我們的研究中，我們已經(jīng)成功地為金屬增材制造生命周期的不同部分定制了特定的機器學(xué)習(xí)方法。"

在實驗室里，高速紅外攝像系統(tǒng)被直接集成到金屬3D打印機中。該團隊還建立了一個基于打印機拍攝的圖像的原位監(jiān)測系統(tǒng)，以分析和提取打印物體的關(guān)鍵特征。

張博士補充表示："隨著計算機視覺的發(fā)展，一個訓(xùn)練有素的深度學(xué)習(xí)模型可以自動完成人類視覺系統(tǒng)可以完成的一些基本任務(wù)，如分類、檢測和分割。"

研究團隊正致力于應(yīng)用機器學(xué)習(xí)和計算機視覺來開發(fā)一個完全自主的閉環(huán)控制3D打印系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以檢測和糾正增材制造零件中出現(xiàn)的缺陷。據(jù)鄒教授表示，實施這些系統(tǒng)將大大拓寬金屬增材制造系統(tǒng)在行業(yè)中的應(yīng)用。

自從建立了實驗室的金屬打印能力，鄒教授和他的團隊已經(jīng)與政府研究實驗室，包括加拿大國家研究委員會（NRC），以及許多加拿大公司，包括Oetiker有限公司、Mech Solutions有限公司、EXCO工程公司和麥格納國際公司建立了伙伴關(guān)系。

而除了對增材制造的新穎研究外，鄒教授還在多倫多大學(xué)開設(shè)了增材制造課程，本科生和研究生都可以參加。

鄒教授表示："金屬3D打印有可能徹底改變我們所知的制造業(yè)。有了強大的自主系統(tǒng)，操作這些系統(tǒng)的成本可以大大降低，從而推動金屬增材制造在全球各行業(yè)得到更廣泛的采用。此外，增材制造過程還大大減少了材料和能源浪費，從而實現(xiàn)更可持續(xù)的制造業(yè)發(fā)展。"