研究人员推进金属3D打印技术 用于汽车能源和生物医学应用

由应用科学与工程学院的Yu Zou教授领导的多伦多大学研究人员团队正在努力在该大学的第一个金属3D打印实验室推进金属增材制造领域。

该技术使用计算机辅助设计(CAD)逐层构建材料，可以改善航空航天，生物医学，能源和汽车行业的制造。

“我们正在努力揭示增材制造过程背后的基本物理学，以及提高其鲁棒性并通过其应用创造新颖的结构和功能材料，”材料科学与工程系助理教授Zou说。

与零件或组件由散装材料制成的传统制造不同，金属3D打印工艺使微观结构和材料构成能够在本地定制，这意味着它们可以表现出独特的特性。

“例如，医疗植入物需要类似人体骨骼的材料，这些材料在外部致密而坚硬，但内部是多孔的，”Zou实验室的博士候选人Xiao Shang说。“对于传统制造业来说，这真的很难实现 - 但金属打印为您提供了更多的控制和定制产品。

减材制造技术通常涉及去除材料以获得所需的最终产品。相比之下，增材制造通过添加材料层来构建新对象。在生产航空航天发动机部件、汽车生产工具部件、核反应堆关键部件和关节植入物等物体时，该工艺显著减少了生产时间、材料成本和能源消耗。

Zou的金属3D打印机专门用于选择性激光熔化和定向能量沉积 - 学术界和工业界使用的两种基本金属增材制造技术。

首先，CAD软件创建对象及其图层的3D模型。然后，对于每一层，机器都会沉积一层非常薄的金属粉末，随后根据 3D 模型定义的几何形状通过强大的激光熔化。

熔融金属凝固后，它会粘附在前一层或基材上。每层完成后，机器将重复粉末掺杂和激光熔化过程，直到打印所有层并完成对象。

“传统的制造技术仍然非常适合大规模工业制造，”材料科学与工程博士生Tianyi Lyu说。“但增材制造具有超越传统技术的能力。其中包括复杂几何形状的制造、设计的快速原型制作和定制，以及对材料特性的精确控制。

例如，牙科专业人员可以使用选择性激光熔化，通过尺寸精度在几微米以内的精确3D模型，为特定患者定制假牙或植入物。快速原型制作还可以轻松调整义齿设计。由于植入物在不同位置需要不同的材料特性，因此只需更改工艺参数即可实现。

该团队还应用新颖的实验和分析方法，以更好地了解选择性激光熔化和定向能量沉积打印过程。目前，他们的研究集中在先进钢，镍基高温合金和高熵合金上，未来可能会扩展到探索钛和铝合金。

“当今传统合金设计的主要瓶颈之一是创建和测试新材料所需的大量加工时间。这种类型的高通量设计对于传统的制造方法是不可能的，“材料科学与工程硕士生Ajay Talbot说。

通过定向能量沉积等增材制造技术，该团队正在迅速增加探索的合金系统的数量，通过添加或去除某些元素来改变打印过程中材料的成分。

“我们也在努力实现智能制造。在金属3D打印过程中，高能激光器与材料之间的相互作用仅持续几微秒。然而，在这个有限的时间内，多尺度，多物理现象发生了，“材料科学与工程博士候选人张家辉说。“我们的主要挑战是获得数据来捕捉这些现象。

“在我们的研究中，我们已经成功地为金属增材制造生命周期的不同部分定制了特定的机器学习方法。

在实验室中，高速红外摄像系统直接集成到金属3D打印机中。该团队还根据打印机拍摄的图像构建了一个原位监控系统，以分析和提取打印对象的关键特征。

“随着计算机视觉的发展，训练有素的深度学习模型可以自动完成人类视觉系统可以完成的一些基本任务，例如分类，检测和分割，”张补充道。

当前增材制造工艺的问题之一是构建坚固可靠的3D打印机，可以提供一致的高质量零件。

为此，该团队正在积极努力应用机器学习和计算机视觉来开发一个完全自主的闭环控制的3D打印系统，该系统可以检测和纠正通过增材制造制造的零件中出现的缺陷。实施这些系统可以大大扩大金属增材制造系统在行业中的采用，Zou说。

自从建立实验室的金属打印能力以来，邹和他的团队与政府研究实验室建立了合作伙伴关系，包括加拿大国家研究委员会(NRC)和许多加拿大公司，包括欧梯克有限公司，Mech Solutions Ltd.，EXCO Engineering和麦格纳国际。

“正如我们所知，金属3D打印有可能彻底改变制造业，”Zou说，他为本科生和研究生提供增材制造课程。“借助强大的自主系统，可以大大降低这些系统的运营成本，从而使金属增材制造能够在全球各行各业得到更广泛的采用。

“该工艺还减少了材料和能源浪费，从而实现了更可持续的制造业。