科研人员提出希望更多人关注,基于激光的多材料金属3D打印技术进展-金属3D打印工厂

科研人员提出希望更多人关注,基于激光的多材料金属3D打印技术进展-金属3D打印工厂插图

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       导读:与一般的3D打印技术(AM)方法相比,多材料3D打印技术(MMAM)可实现更高水平的设计自由度,例如整合材料、结构和功能以实现可定制的功能(局部耐磨性、高导热性、热绝缘、耐化学腐蚀等)。然而现阶段,金属材料的MMAM技术还处于实验室阶段。

科研人员提出希望更多人关注,基于激光的多材料金属3D打印技术进展

△激光金属沉积(LMD)、基于激光粉末床熔合(LPBF)和激光诱导正向转移(LIFT)具有制造多种金属材料的能力。LMD和LPBF打印样品的尺寸可以达到米级,同时,LIFT工艺可以生产微米级组件

      2022年8月31日,曼彻斯特大学在《国际极限制造杂志》上的一项研究,总结了基于激光的多材料金属3D打印技术(MMAM)最新进展,包括激光粉末床融合(LPBF)、基于激光的定向能量沉积(L-DED)和激光诱导前向转移(LIFT),用于多种金属材料的宏观和微观制造。

技术背景

      由于不同粉末材料沉积机制的各种新发明,使用LPBF方法和LDED方法生产大型多材料零件已成为现实。该技术可广泛用于航空航天、海洋、核电和医疗行业的集成功能组件制造。对于多个金属物体的微3D打印制造,目前主要采用固体LIFT和流体LIFT技术,因为它们的材料转移机制,将金属液滴从一个供体板喷射到建筑基材上,非常适合将不同材料打印在一起。在材料沉积过程中,供体与打印对象之间没有接触,因此避免了异种原材料交叉污染问题。微尺度金属3D打印技术的潜在应用包括:3D微尺度金属结构、储能元件、电子元件、生物分子、生化传感器和细胞,甚至直接将功能器件转移到其他部件的表面。

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△曼彻斯特大学开发的多材料LBPF技术工艺流程和实验装置相关示意图

基于激光的MMAM技术的问题

      该技术仍处于早期阶段,因此还有很多的技术难题需要解决。曼彻斯特大学李林教授领导的研究团队,报告了该领域的最新进展,并指出了未来具有高价值目标的研究课题。由于不同的材料分配挑战(如何在空间所需区域中沉积正确的材料),多材料金属3D打印技术的设备,可能与传统单材料打印工艺有很大不同。这项研究总结了材料输送方法、异种材料的连接、加工参数和打印多材料金属3D打印组件的性能。

介绍了每种多材料金属3D打印方法的材料输送方法,并比较了它们的优点。介绍了三种典型的异种材料连接方法。该工艺打印功能梯度材料(FGM)的成分在不断变化,因此,每种材料成分的优化激光参数,对于实现良好的打印质量至关重要。激光参数对多材料金属3D打印微观结构的影响,也可能与传统单材料3D打印技术显着不同,例如相变、金属间化合物的形成和最终的机械性能。目前商用的3D设计软件、相变预测软件和仿真建模软件,通常是针对单材料加工而设计的,缺乏多材料加工所需的热力学数据库。

以上所有问题都是将该技术,从实验室研究推向实际工业应用需要填补的知识空白。魏超教授解释说:“我们需要根据最终部件的要求来选择合适的工艺。在此之前,了解现有方法,对于用户选择制造方法非常重要。”

科研人员提出希望更多人关注,基于激光的多材料金属3D打印技术进展

△获取曼彻斯特大学,关于《基于激光的多金属材料增材制造概述:从宏观到微观》研究报告的更多内容(传送门)

多材料金属3D打印技术的未来潜力

        该技术作为一个新兴工艺,具有显着的技术优势,通过组合不同的材料赋予一个组件不同的特性,这为3D打印组件提供了一个新的自由度。在潜在领域中,魏教授表示,“基于激光的多材料金属3D打印技术,例如,在生物医学领域的金属功能3D结构、储能组件和打印组织器官等方面具有巨大潜力。”

主要研究人员之一李林教授评论说:“与传统的制造方法相比,该技术在简化制造过程、增加设计自由度、减少原型制造的时间和成本方面具有明显的优势。我们目前的工作仅能打开这个新研究的大门,我们希望更多的研究人员能够进入这个领域,共同推动多材料金属3D打印技术的发展。”

总结:未来的多材料金属3D打印技术,研究显然是多学科的,涉及机械工程、制造工程、材料科学、电子学、光子学、生物学等学科。它集成了复杂的混合制造系统,需要高通量优化工艺参数,基于人工智能的质量监控,和评估打印部件的长期可靠性需要进一步研究。但我们相信,在实际产业应用需求的指导下,通过学术界的协同研究,这些问题最终会得到解决。

(责任编辑:admin)

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