数字材料3D打印新方法，南洋理工大学和剑桥大学新突破！

根据3D科学谷《洞悉国内外在3D打印数字材料方面的最新举措》一文，数字材料可以只包含一种材料，可以包含多种材料。一种材料由于在几何体中的密度分布可能会有所不同，因此零部件在不同的位置可以具有不同的机械性能。3D打印-增材制造可以在不同材料分布的帮助下根据负载和其他要求调整局部密度。此外，借助定制的数字材料，可以优化组件的重量、成本和生产时间。增材制造 (AM) 作为一项突破性的生产技术，由于其几何自由度和免模具生产，成为可以高效生产数字材料的工艺。

来自新加坡南洋理工大学（NTU Singapore）和英国剑桥大学的科学家团队开发了一种新方法，用于创建包含不同属性的定制增材制造金属零件。 《自然通讯》发表的一篇论文概述了这一新过程。

南洋理工大学的科研人员

不同区域、不同特性

新加坡南洋理工大学和剑桥大学的研究人员将材料科学与机械工程原理相结合，应用了增材制造技术，通常研究聚焦于消除和防止增材制造金属中的缺陷。 通过改变金属的微观结构，他们能够改变材料的特性。

创造不同材料特性的能力意味着，在必要时，金属的某些区域可以比其他区域更坚固。 此外，理论上，新工艺还应该使制造商能够将额外的功能融入到零件中。 这些可能包括同一金属内不同水平的导电性或耐腐蚀性。该研究由新加坡南洋理工大学杰出教授高华建教授和剑桥大学助理教授 Matteo Seita 共同领导。

新加坡南洋理工大学和剑桥大学实验中使用的L-PBF增材制造设备

研究团队包括来自不同组织的科学家。 其中包括科学技术研究局 (ASTAR) 的新加坡制造技术研究所和高性能计算研究所、瑞士保罗谢勒研究所、芬兰 VTT 技术研究中心以及澳大利亚核科学技术组织。

根据德国Fraunhofer研究所，未来制造业竞争的关键是材料，以数字形式提供材料的行为，将产品开发与材料开发关联，通过工业 4.0将材料信息链接到整个加工应用链条中，大幅降低材料的全寿命应用成本。

在传统金属加工中，如锻造，“敲打”会改变金属的外部形状，但它也可以改变金属的内部微观结构以增强其强度。 然而，敲打过程也可能无意中损坏增材制造金属的某些特征，例如其复杂的形状和内部结构，而这些特征用传统方法难以制造。

由于增材制造能够精确构造每一层金属，因此可以在区域对金属的特性进行微调。 这种控制水平是传统制造工艺无法达到的。 科学家们设法使用增材制造技术并调整构建参数。 这使得他们能够生产出具有不同微观结构的金属，在金属内所需的位置创建更强和更弱的区域。

选择想要的内部微观结构

根据3D科学谷的市场观察，材料是推动增材制造突破界限约束的驱动力！人工智能、数字材料、人工双胞胎，这些因素正在推动推动增材制造突破界限约束。

新加坡南洋理工大学发现通过使金属在增材制造工艺的加热和冷却阶段快速膨胀和收缩，可以重新配置金属的微观结构。这可以通过修改增材制造机器的能源（例如激光束）来熔化金属粉末层以进行金属零件的增材制造来实现。

新加坡南洋理工大学的方法允许制造商选择想要的内部微观结构的类型，从而选择特定的属性，并准确确定其在金属内的位置。 这是对不提供此类控制方法的传统工艺的改进。

这种方法为设计具有微观结构的高性能金属零件开辟了道路，这些零件可以通过微调来调整零件的机械和功能特性，在特定的零件区域，通过 3D 打印以复杂的方式塑造材料的功能特性。

研究人员证明，修改激光也会改变微观结构，有两种类型的结构：一种增强金属的强度，另一种则削弱金属的机械强度。 此外，研究人员还重新熔化增材制造的金属层，以促进微观结构的变化。

研究人员的策略可以针对金属中的特定位点，这使得制造商能够设计和创建复杂的微观结构，从而将金属的性能定制到前所未有的程度。 例如，同一种金属在同一部件中可能具有截然不同的特性。

理论上，增材制造金属零件的强度应介于仅具有强区域的材料和仅具有弱区域的材料之间。 然而，研究小组发现，同时具有强区和弱区的增材制造金属比仅由强区组成的金属稍强。

制造的金属中强区和弱区之间的这种协同相互作用表明，新技术可以制造出比经典混合规则理论描述的包含不同材料的复合材料更强韧的材料。

研究人员认为，他们的方法可以生产具有不同功能特性的增材制造金属。 例如，可以设计金属部件，使得浸没在海水中的部分表现出增强的耐腐蚀性，而高于水面的部分表现出降低的耐腐蚀性。

未来的工作可能涉及测试该方法是否可以生产具有不同微观结构设计的增材制造金属。 这可能会使得金属的机械和功能特性得到改善。