供稿人:黃勝；李滌塵 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2019-12-06
賓夕法尼亞州立大學T. DebRoy教授等于2019年7月1日在Nature materials雜志上發(fā)表評論文章，系統(tǒng)地介紹了當前金屬3D打印領(lǐng)域面臨的科學、技術(shù)和經(jīng)濟挑戰(zhàn)及其解決方案。
金屬3D打印具有生產(chǎn)周期短，產(chǎn)品形狀復雜（能夠?qū)⒍鄠€零件整合為一個零件），一臺設備能夠生產(chǎn)不同產(chǎn)品的能力等優(yōu)點，現(xiàn)已廣泛用于航空航天，定制產(chǎn)品，醫(yī)療，能源，汽車，船舶和其他行業(yè)。從近年來全球的金屬3D打印設備的銷量和專利授權(quán)數(shù)量上可以預見未來金屬3D打印將繼續(xù)增長。但與傳統(tǒng)的制造工藝相比，當前的金屬3D打印產(chǎn)品體積很小，生產(chǎn)率、質(zhì)量控制和可重復性需要進一步提高，因此面臨著許多挑戰(zhàn)（圖1）。
科學挑戰(zhàn)來自金屬3D打印中的各種加工條件和復雜的熱循環(huán)，及其對各種微觀結(jié)構(gòu)特征和缺陷的演變和零件性能所產(chǎn)生的未知影響。目前金屬3D打印的科學挑戰(zhàn)主要有：工藝-微觀結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系研究進展緩慢，微觀結(jié)構(gòu)的精確控制，缺陷演變及其對性能的影響規(guī)律的掌握，凝固組織特征、晶粒結(jié)構(gòu)、拓撲和織構(gòu)的演變規(guī)律的理解。
金屬3D打印在工業(yè)中廣泛應用所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)有：缺乏資格認證，產(chǎn)品的幾何復雜性與尺寸受限，工藝與打印順序設計復雜，后處理工藝有待完善，安全與健康危害的防護等。
除了科學與技術(shù)上的問題，當前金屬3D打印還面臨著有成本競爭力有待提高，具有工藝兼容性的原材料數(shù)量少，市場份額低，存在知識產(chǎn)權(quán)壁壘與網(wǎng)絡安全風險，缺乏標準、經(jīng)驗和培訓等經(jīng)濟挑戰(zhàn)。
針對金屬3D打印領(lǐng)域面臨的科學、技術(shù)和經(jīng)濟挑戰(zhàn)，提出了可能的解決方案包括：創(chuàng)建可打印性數(shù)據(jù)庫；開發(fā)金屬3D打印領(lǐng)數(shù)學模型并實現(xiàn)數(shù)字化；利用新興的數(shù)學工具優(yōu)化工藝變量和產(chǎn)品性能；制定工藝與產(chǎn)品的標準；加強研究機構(gòu)與企業(yè)之間的合作等。
圖1 金屬3D打印存在的挑戰(zhàn) a：金屬3D打印的主要科學挑戰(zhàn)（紅色標出），技術(shù)挑戰(zhàn)（綠色）和經(jīng)濟挑戰(zhàn)（橙色）；b：溫度梯度和凝固生長速率是影響3d打印零件晶粒結(jié)構(gòu)的兩大主要因素，其多樣性表明了控制其微觀結(jié)構(gòu)的難度；c：各種熱量輸入下不銹鋼零件凝固過程中冷卻速度的變化