數(shù)字材料可以只包含一種材料，可以包含多種材料。一種材料由于在幾何體中的密度分布可能會(huì)有所不同，因此零部件在不同的位置可以具有不同的機(jī)械性能。3D打印-增材制造可以在不同材料分布的幫助下根據(jù)負(fù)載和其他要求調(diào)整局部密度。此外，借助定制的數(shù)字材料，可以優(yōu)化組件的重量、成本和生產(chǎn)時(shí)間。增材制造 (AM) 作為一項(xiàng)突破性的生產(chǎn)技術(shù)，由于其幾何自由度和免模具生產(chǎn)，成為可以高效生產(chǎn)數(shù)字材料的工藝。

來自新加坡南洋理工大學(xué)（NTU Singapore）和英國(guó)劍橋大學(xué)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新方法，用于創(chuàng)建包含不同屬性的定制增材制造金屬零件。 《自然通訊》發(fā)表的一篇論文概述了這一新過程。

南洋理工大學(xué)的科研人員

 不同區(qū)域、不同特性

      新加坡南洋理工大學(xué)和劍橋大學(xué)的研究人員將材料科學(xué)與機(jī)械工程原理相結(jié)合，應(yīng)用了增材制造技術(shù)，通常研究聚焦于消除和防止增材制造金屬中的缺陷。 通過改變金屬的微觀結(jié)構(gòu)，他們能夠改變材料的特性。

創(chuàng)造不同材料特性的能力意味著，在必要時(shí)，金屬的某些區(qū)域可以比其他區(qū)域更堅(jiān)固。 此外，理論上，新工藝還應(yīng)該使制造商能夠?qū)㈩~外的功能融入到零件中。 這些可能包括同一金屬內(nèi)不同水平的導(dǎo)電性或耐腐蝕性。該研究由新加坡南洋理工大學(xué)杰出教授高華建教授和劍橋大學(xué)助理教授 Matteo Seita 共同領(lǐng)導(dǎo)。

新加坡南洋理工大學(xué)和劍橋大學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用的L-PBF增材制造設(shè)備

研究團(tuán)隊(duì)包括來自不同組織的科學(xué)家。 其中包括科學(xué)技術(shù)研究局 (ASTAR) 的新加坡制造技術(shù)研究所和高性能計(jì)算研究所、瑞士保羅謝勒研究所、芬蘭 VTT 技術(shù)研究中心以及澳大利亞核科學(xué)技術(shù)組織。

根據(jù)德國(guó)Fraunhofer研究所，未來制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵是材料，以數(shù)字形式提供材料的行為，將產(chǎn)品開發(fā)與材料開發(fā)關(guān)聯(lián)，通過工業(yè) 4.0將材料信息鏈接到整個(gè)加工應(yīng)用鏈條中，大幅降低材料的全壽命應(yīng)用成本。

在傳統(tǒng)金屬加工中，如鍛造，“敲打”會(huì)改變金屬的外部形狀，但它也可以改變金屬的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)其強(qiáng)度。 然而，敲打過程也可能無意中損壞增材制造金屬的某些特征，例如其復(fù)雜的形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而這些特征用傳統(tǒng)方法難以制造。

由于增材制造能夠精確構(gòu)造每一層金屬，因此可以在區(qū)域?qū)�金屬的特性進(jìn)行微調(diào)。 這種控制水平是傳統(tǒng)制造工藝無法達(dá)到的。 科學(xué)家們?cè)O(shè)法使用增材制造技術(shù)并調(diào)整構(gòu)建參數(shù)。 這使得他們能夠生產(chǎn)出具有不同微觀結(jié)構(gòu)的金屬，在金屬內(nèi)所需的位置創(chuàng)建更強(qiáng)和更弱的區(qū)域。

 選擇想要的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，材料是推動(dòng)增材制造突破界限約束的驅(qū)動(dòng)力！人工智能、數(shù)字材料、人工雙胞胎，這些因素正在推動(dòng)推動(dòng)增材制造突破界限約束。

新加坡南洋理工大學(xué)發(fā)現(xiàn)通過使金屬在增材制造工藝的加熱和冷卻階段快速膨脹和收縮，可以重新配置金屬的微觀結(jié)構(gòu)。這可以通過修改增材制造機(jī)器的能源（例如激光束）來熔化金屬粉末層以進(jìn)行金屬零件的增材制造來實(shí)現(xiàn)。

新加坡南洋理工大學(xué)的方法允許制造商選擇想要的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的類型，從而選擇特定的屬性，并準(zhǔn)確確定其在金屬內(nèi)的位置。 這是對(duì)不提供此類控制方法的傳統(tǒng)工藝的改進(jìn)。

這種方法為設(shè)計(jì)具有微觀結(jié)構(gòu)的高性能金屬零件開辟了道路，這些零件可以通過微調(diào)來調(diào)整零件的機(jī)械和功能特性，在特定的零件區(qū)域，通過 3D 打印以復(fù)雜的方式塑造材料的功能特性。

研究人員證明，修改激光也會(huì)改變微觀結(jié)構(gòu)，有兩種類型的結(jié)構(gòu)：一種增強(qiáng)金屬的強(qiáng)度，另一種則削弱金屬的機(jī)械強(qiáng)度。 此外，研究人員還重新熔化增材制造的金屬層，以促進(jìn)微觀結(jié)構(gòu)的變化。

研究人員的策略可以針對(duì)金屬中的特定位點(diǎn)，這使得制造商能夠設(shè)計(jì)和創(chuàng)建復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)，從而將金屬的性能定制到前所未有的程度。 例如，同一種金屬在同一部件中可能具有截然不同的特性。

理論上，增材制造金屬零件的強(qiáng)度應(yīng)介于僅具有強(qiáng)區(qū)域的材料和僅具有弱區(qū)域的材料之間。 然而，研究小組發(fā)現(xiàn)，同時(shí)具有強(qiáng)區(qū)和弱區(qū)的增材制造金屬比僅由強(qiáng)區(qū)組成的金屬稍強(qiáng)。

制造的金屬中強(qiáng)區(qū)和弱區(qū)之間的這種協(xié)同相互作用表明，新技術(shù)可以制造出比經(jīng)典混合規(guī)則理論描述的包含不同材料的復(fù)合材料更強(qiáng)韌的材料。

研究人員認(rèn)為，他們的方法可以生產(chǎn)具有不同功能特性的增材制造金屬。 例如，可以設(shè)計(jì)金屬部件，使得浸沒在海水中的部分表現(xiàn)出增強(qiáng)的耐腐蝕性，而高于水面的部分表現(xiàn)出降低的耐腐蝕性。

未來的工作可能涉及測(cè)試該方法是否可以生產(chǎn)具有不同微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的增材制造金屬。 這可能會(huì)使得金屬的機(jī)械和功能特性得到改善。

(責(zé)任編輯：admin)

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