Oversigt:Topmoderne laserbaseret fremstilling af flere metalliske materialer

Sammenlignet med generelle additive fremstillingsmetoder (AM) muliggør multimateriale additiv fremstilling (MMAM) et højere niveau af designfrihed, såsom integration af materialer, struktur og funktion for at opnå skræddersyede funktionaliteter (f.eks. lokal slidstyrke, høj varmeledningsevne, termisk isolering og kemisk korrosionsbestandighed osv.). Imidlertid er MMAM af metalliske materialer en nyere forskningsaktivitet, der stadig er i sit embryonale stadium. Navnlig har der hidtil ikke været nogen omfattende gennemgang af metallisk MMAM, der dækker både makroskalafremstilling til mikroskalafremstilling.

En undersøgelse i International Journal of Extreme Manufacturing opsummerede de seneste fremskridt inden for laserbaseret multi-material additive manufacturing (MMAM) teknologier, herunder laserpulverbedfusion (LPBF), laserbaseret rettet energiaflejring (L-DED) og laserinduceret fremadoverførsel (LIFT) til makro -og mikroskala fabrikation af flere metalliske materialer.

Brugen af ​​LPBF-metoden og L-DED-metoden til at producere store multimaterialedele er blevet en realitet på grund af forskellige nye opfindelser af de forskellige pulvermaterialeaflejringsmekanismer. De potentielle anvendelser af disse teknologier er at fremstille funktionelt integrerede komponenter, der i vid udstrækning anvendes i rumfarts-, marine-, atomkraft- og medicinske industrier.

Hvad angår mikro-AM af flere metalliske objekter, er solid LIFT og fluid LIFT de teknologier, der hovedsageligt anvendes i øjeblikket, fordi deres materialeoverførselsmekanisme, der sprøjter metalliske dråber fra en donorplade til bygningssubstratet, er meget velegnet til at printe forskellige materialer sammen. Der er ingen kontakt mellem donoren og den udskrevne genstand under materialeaflejring, hvorfor det ulige problem med krydskontaminering af råmateriale undgås. De potentielle anvendelser af metalliske AM-teknologier i mikroskala omfatter:3D-metalliske strukturer i mikroskala, energilagringskomponenter, elektroniske komponenter, biomolekyler, biokemiske sensorer og celler og endda direkte overførsel af funktionelle enheder til overfladen af ​​andre dele.

Laserbaserede MMAM-teknologier er stadig på deres tidlige stadie, og derfor venter mange videnskabelige og tekniske udfordringer på løsninger. Forskerholdet ledet af prof Lin LI fra University of Manchester rapporterede om det nyeste inden for dette felt og påpegede både de presserende udfordringer og relevante fremtidige forskningsemner af høj værdi.

Udstyret til MMAM-teknologier kan være væsentligt forskelligt fra standard enkeltmateriale AM-processer på grund af den forskelligartede materialedispenseringsudfordring (dvs. hvordan man deponerer det rigtige materiale i det ønskede område i det rumlige rum). Dette arbejde opsummerer materialeleveringsmetoden, sammenføjning af forskellige materialer, behandlingsparametre og trykte MMAM-komponenters ydeevne. Materialeleveringsmetoderne for hver MMAM-metode introduceres, og deres fordele sammenlignes. Tre typiske forskellige materialesammenføjningsmetoder præsenteres. Materialesammensætningen af ​​MMAM-trykte funktionelle gradientmaterialer (FGM'er) ændrer sig konstant. Derfor er de optimerede laserparametre for hver materialesammensætning afgørende for at opnå god printkvalitet.

Den laserparameter-inducerede indflydelse på den MMAM-printede mikrostruktur kan også være væsentligt forskellig fra den konventionelle AM-teknologi, såsom for faseovergangen, dannelsen af ​​intermetalliske forbindelser og de endelige mekaniske egenskaber. Den nuværende kommercielle 3D-designsoftware, software til forudsigelse af faseovergange og simulerings- og modelleringssoftware er normalt designet til enkeltmaterialebehandling og mangler de termodynamiske databaser, der kræves til multimaterialebehandling.

Alle ovenstående spørgsmål er de videnshuller, der skal udfyldes for at skubbe MMAM-teknologierne fra laboratorieundersøgelsen til den faktiske industrielle anvendelse. Professor Chao Wei forklarede, at "vi er nødt til at vælge den passende teknologi baseret på kravet til den endelige komponent. Inden da er forståelsen af ​​de eksisterende metoder meget vigtig for brugeren at vælge fremstillingsmetoden."

Som et spirende felt har MMAM betydelige fordele ved at give forskellige egenskaber inden for en komponent ved at kombinere forskellige materialer, hvilket er en ny grad af frihed til AM-komponenterne. Blandt de potentielle felter sagde professor Wei, at "laserbaseret MMAM har et stort potentiale i de metalfunktionelle 3D-strukturer, energilagringskomponenter og printvæv og -organer i de biomedicinske områder."

En af de førende forskere, professor Lin Li kommenterede, at "laserbaserede MMAM-teknologier har åbenlyse fordele ved at forenkle fremstillingsprocessen, øge designfriheden og reducere tiden og omkostningerne ved prototypefremstilling sammenlignet med konventionelle fremstillingsmetoder. Vores arbejde åbner kun døren til dette nye forskningsparadis. Vi håber, at flere forskere kan gå ind på dette felt og i fællesskab fremme udviklingen af ​​MMAM-teknologier."

Fremtidens MMAM-forskning er naturligvis multidisciplinær, der involverer maskinteknik, fremstillingsteknik, materialevidenskab, elektronik, fotonik, biologi og andre discipliner. Integrering af komplekse hybride fremstillingssystemer, etablering af nye love for MMAM-design og -produktion, høj-gennemgående optimering af behandlingsparametre, kunstig intelligens-baseret kvalitetsovervågning og -kontrol og vurdering af den langsigtede pålidelighed af trykte dele skal undersøges yderligere. Vi tror dog, at under vejledning af den faktiske efterspørgsel efter industrielle anvendelser og gennem forskningssamarbejde fra det akademiske samfund, vil disse problemer i sidste ende blive løst. + Udforsk yderligere

Materialer efter opskrift:Pulversæt for mere fleksibilitet og materialediversitet i 3D-print