金屬增材制造的最新進展綜述：里程碑、趨勢、挑戰(zhàn)和前景

來源： 長三角G60激光聯(lián)盟

據(jù)悉，印度科研人員綜述了金屬增材制造的最新進展:里程碑、趨勢、挑戰(zhàn)和前景。相關(guān)研究以“A state-of-the-art review on metal additive manufacturing: milestones, trends, challenges and perspectives”為題發(fā)表在《Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering》上。

文中全面綜述了金屬增材制造（MAM）。與傳統(tǒng)制造工藝相比，MAM工藝具有設(shè)計自由、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、幾乎可忽略廢料的生產(chǎn)以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造等巨大能力和優(yōu)勢，是未來工業(yè)制造系統(tǒng)中大有可為的技術(shù)。本綜述論文對MAM進行了全面分析，分析了其在粉末床熔融、定向能沉積、板材層壓、金屬粘合劑噴射和材料擠壓等各種技術(shù)中的分類。此外，論文還研究了MAM 中使用的各種材料，包括傳統(tǒng)金屬和合金，以及新興的新型材料。論文深入探討了冶金方面的問題，包括加工參數(shù)、凝固、冶金機制、顯微組織演變和力學(xué)性能。此外，文中還簡要介紹了工業(yè)界在采用這些技術(shù)時所面臨的各種主要挑戰(zhàn)，以及最近報道的一些解決方案。最后，文中綜述了這些技術(shù)發(fā)展道路上的一些重要未來趨勢和目前正在進行的開發(fā)活動?？傊?，文中提供了有關(guān)MAM的一些重要知識，包括其分類、材料、冶金學(xué)方面、挑戰(zhàn)以及未來趨勢和發(fā)展機遇。

圖1 MAM技術(shù)的分類

圖2 基于PBF的MAM技術(shù)示意圖:a SLS、b SLM和c EBM

圖3 基于DED的MAM技術(shù)示意圖:a LENS、b LFF、c WAAM和d EBFF

圖4 基于SL的MAM技術(shù)示意圖:a LOM、b UC 或 UAM 、c FSAM

圖5 與金屬增材制造相關(guān)的挑戰(zhàn)

圖6 a金屬立體光刻系統(tǒng)示意圖；b MFCAM工藝示意圖

圖7 零件加固工藝支架設(shè)計流程示意圖

圖8 不同建模和仿真工具在制造部件相關(guān)長度尺度上的集成方法

圖9 MAM中機器學(xué)習(xí)和人工智能集成的可視化示意圖

金屬增材制造（MAM）是一項創(chuàng)新和變革性技術(shù)，具有徹底改變制造業(yè)的巨大潛力。這篇綜合綜述論文對金屬增材制造的各個方面進行了科學(xué)探索，包括其分類、材料、冶金方面、挑戰(zhàn)和未來趨勢。通過對現(xiàn)有文獻的深入研究，科研人員發(fā)現(xiàn)了一些重要發(fā)現(xiàn)，凸顯MAM在現(xiàn)代制造業(yè)中的深遠(yuǎn)重要性和影響。

本綜述探討了MAM中使用的各種材料，包括常見的金屬和合金，如鋼、鋁基合金、鈦基合金、鎳基合金和鈷基合金。此外，還研究了金屬基復(fù)合材料 (MMC)、高熵合金 (HEA)、塊狀金屬玻璃 (BMG) 和形狀記憶合金(SMA) 等新型材料和合金的潛力。這種材料種類繁多，可生產(chǎn)出具有定制特性的部件，有利于復(fù)雜設(shè)計和卓越性能的實現(xiàn)。MAM 的冶金方面是本綜述的重點，包括加工參數(shù)變量的影響、凝固的復(fù)雜性、潛在的冶金機制以及隨后顯微組織和力學(xué)性能的演變。這些發(fā)現(xiàn)強調(diào)了精確控制加工參數(shù)（如激光功率、掃描速度和層厚度）以獲得理想的顯微組織和機械特性的重要性。這些見解為工藝優(yōu)化鋪平了道路，確保生產(chǎn)出性能穩(wěn)定可靠的增材零件。盡管MAM潛力巨大，但正如本綜述所述，仍存在一些挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括有限的材料范圍、后處理要求、有限的制造體積、顯微組織和力學(xué)性能的各向異性、大規(guī)模生產(chǎn)能力、多材料沉積、標(biāo)準(zhǔn)化問題以及可重復(fù)性和再現(xiàn)性問題。要應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，需要研究人員、行業(yè)專業(yè)人士和政策制定者通力合作，充分挖掘MAM的潛力，促進其在各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用。未來的MAM趨勢和發(fā)展，本綜述將對此進行深入探討。這些趨勢和發(fā)展包括：工藝技術(shù)的進步、新材料的探索和利用、增材制造設(shè)計（DfAM）原則與零件整合的融合、增材制造和減材制造工藝的混合、自動化后處理技術(shù)的出現(xiàn)、對提高沉積率的追求、建立健全的質(zhì)量控制措施、利用建模和模擬進行工藝優(yōu)化，以及將機器學(xué)習(xí)和人工智能融入增材制造領(lǐng)域。這些未來趨勢有望進一步增強MAM的能力和應(yīng)用，使其真正成為制造業(yè)的一場革命。

最后，這篇綜述論文以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和創(chuàng)造性的洞察力探討了MAM的世界。其研究結(jié)果強調(diào)了MAM的變革潛力，特別是在制造復(fù)雜、定制和高性能組件方面。要充分發(fā)揮MAM的威力，研究人員、行業(yè)專業(yè)人士和政策制定者必須通力合作。通過克服現(xiàn)有挑戰(zhàn)、探索新材料和新工藝以及建立健全的標(biāo)準(zhǔn)和指導(dǎo)方針，可以實現(xiàn)MAM的廣泛應(yīng)用。機器學(xué)習(xí)和人工智能的整合將進一步增強MAM的功能，使其具備智能流程優(yōu)化和質(zhì)量控制能力。隨著科研人員走上MAM的道路，未來將蘊含無限可能，重塑制造業(yè)，推動科研人員進入創(chuàng)新和生產(chǎn)力的新時代。


論文鏈接：

Badoniya, P., Srivastava, M., Jain, P.K.et al. A state-of-the-art review on metal additive manufacturing: milestones, trends, challenges and perspectives. J Braz. Soc. Mech. Sci. Eng. 46, 339 (2024). https://doi.org/10.1007/s40430-024-04917-8