多倫多大學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
時間：2023-04-04 15:33 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2023年4月3日，來自多倫多大學的鄒宇（MSE）教授團隊正在加快推進新型金屬增材制造技術的研究，主要圍繞選區激光燒結（SLS）和定向能量沉積（DED）技術展開，研究項目是依托于該校首個金屬3D打印實驗室進行。金屬增材制造技術使用計算機輔助設計
(CAD) 逐層構建材料，可以為航空航天、生物醫學、能源和汽車行業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，并提高增材組件的機械性能，創造出可以實際應用的新型結構和功能材料。"該團隊還在應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制造不同，金屬 3D 打印工藝可以在本地定制微觀結構和材料構成。也就是說，與傳統制造相比，它們可以表現出截然不同的特性。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，但內部多孔。對于傳統制造，這真的很難實現，但金屬打印為您提供了更多的控制和定制產品。”
與減材制造技術（例如鑄造、模塑和機加工，使用模具創建形狀，或熱加工，其中去除材料以生產零件）相比，增材制造工藝還顯著減少了生產時間、材料成本和能源消耗在生產物體時，例如航空發動機部件、汽車生產的工具部件、核反應堆的關鍵部件和關節植入物。
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)，這是當今學術界和工業界使用的兩種基本金屬增材制造技術。首先，CAD 軟件用于創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：“傳統制造技術仍然非常適合大規模工業制造，但是增材制造具有超越傳統技術的能力。其中包括復雜幾何形狀的制造、設計的快速原型制作和定制，以及材料特性的精確控制。例如，牙科專業人員可以使用 SLM 制作尺寸精度在幾微米以內的精確 3D 模型，來幫助患者定制假牙或植入物。快速原型制作還可以輕松調整義齒設計。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來實現。“
團隊的核心成員AjayTalbot（MSE 碩士研究生）則表示："當下傳統合金設計的主要瓶頸之一是創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計對于傳統的制造方法來說是不可能實現的。"
通過借助DED等增材制造技術，研究團隊正在加快對合金成分系統的探索，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（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了幾微秒。然而，在這個有限的時間范圍內，發生了多尺度、多物理現象，我們的主要挑戰是獲得捕捉這些現象的數據。在我們的研究中，我們已經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習方法。"
在實驗室里，高速紅外攝像系統被直接集成到金屬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測系統，以分析和提取打印物體的關鍵特征。
張博士補充表示："隨著計算機視覺的發展，一個訓練有素的深度學習模型可以自動完成人類視覺系統可以完成的一些基本任務，如分類、檢測和分割。"
研究團隊正致力于應用機器學習和計算機視覺來開發一個完全自主的閉環控制3D打印系統，該系統可以檢測和糾正增材制造零件中出現的缺陷。據鄒教授表示，實施這些系統將大大拓寬金屬增材制造系統在行業中的應用。
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開設了增材制造課程，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。有了強大的自主系統，操作這些系統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，從而實現更可持續的制造業發展。"
(責任編輯：admin)
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