當(dāng)我們想到 3D 打印時(shí)，我們往往會(huì)想到它生產(chǎn)復(fù)雜幾何形狀的能力，但香港團(tuán)隊(duì)已經(jīng)改變了這一點(diǎn)，將這項(xiàng)技術(shù)重新用于材料開發(fā)應(yīng)用。該研究的第一作者張?zhí)忑埐┦空J(rèn)為，我們應(yīng)該開始考慮將添加劑作為一種多功能工具：“我們發(fā)現(xiàn)它在設(shè)計(jì)材料方面具有重要潛力，而不僅僅是設(shè)計(jì)幾何形狀?！笨茖W(xué)家們相信他們的工作可以為新材料開發(fā)范式鋪平道路，其中 3D 打印技術(shù)用于制造具有適合工業(yè)應(yīng)用的結(jié)構(gòu)和性能的合金。

新的鈦合金強(qiáng)度和延展性足以用于結(jié)構(gòu)應(yīng)用。圖片來自香港城市大學(xué)。

用于材料開發(fā)的 3D 打印

金屬合金部件缺乏均勻性通常是一種不受歡迎的特性，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致諸如脆性之類的特性。這仍然是我們?cè)谠霾闹圃熘性噲D克服的問題之一，因?yàn)榉勰┐踩诤系雀邷毓に囃ǔ?huì)導(dǎo)致零件快速冷卻，這本身會(huì)導(dǎo)致金屬 3D 打印組件的不均勻性。然而，根據(jù)張博士之前的建模和模擬研究，一定程度的不均勻性實(shí)際上可能有利于合金部件的性能，因?yàn)樗梢援a(chǎn)生獨(dú)特且不均勻的微觀結(jié)構(gòu)。因此，本研究實(shí)際上利用了大多數(shù)人認(rèn)為是 3D 打印的缺點(diǎn)——當(dāng)生活給你檸檬時(shí)，對(duì)嗎？“增材制造的獨(dú)特功能為我們?cè)O(shè)計(jì)微觀結(jié)構(gòu)提供了更大的自由，”張解釋說。 “具體來說，我們開發(fā)了一種部分均質(zhì)化方法，可以借助 3D 打印生產(chǎn)具有微米級(jí)濃度梯度的合金，這是任何傳統(tǒng)材料制造方法都無法實(shí)現(xiàn)的。”

香港團(tuán)隊(duì)的方法包括使用粉末床融合 3D 打印機(jī)的聚焦激光束將兩種不同的合金熔化在一起。在這種情況下，Ti64 被熔化并與 316L 不銹鋼混合。通過仔細(xì)控制某些打印參數(shù)，如激光功率和掃描速度，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)他們可以以可控的方式創(chuàng)造出一種不均勻的成分——一種新的合金。

該研究的第一作者 Liu Chain-Tsuan 教授說：“除了使用增材制造之外，兩種粉末混合物的成分是在新合金中創(chuàng)造前所未有的具有高亞穩(wěn)定性的熔巖狀微觀結(jié)構(gòu)的另一個(gè)關(guān)鍵。 . “這些獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了卓越的機(jī)械性能，使合金非常堅(jiān)固，但具有延展性和重量輕。”

香港城市大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的 3D 打印鈦合金的熔巖狀晶粒取向圖。圖片來自香港城市大學(xué)。

堅(jiān)固、有延展性且重量減輕 40%

雖然不銹鋼的密度約為 7.9g/cm3，但新開發(fā)的合金的密度僅為 4.5g/cm3，這意味著該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了 40% 的重量減輕。然而，這并不是說合金失去了強(qiáng)度，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)確定它具有 1.3 GPa 的高拉伸強(qiáng)度和約 9% 的均勻伸長(zhǎng)率。該合金還具有超過 300 MPa 的優(yōu)異加工硬化能力，確保了較大的壓裂前安全裕度。據(jù)劉說，令人印象深刻的一組特性將使該材料有資格用于航空航天、汽車和能源等領(lǐng)域的各種結(jié)構(gòu)應(yīng)用。就未來的工作而言，該團(tuán)隊(duì)打算將該方法應(yīng)用于不同的合金系統(tǒng)，以探索新的獨(dú)特合金組合的開發(fā)。

3D打印鈦合金的微觀結(jié)構(gòu)。圖片來自香港城市大學(xué)。

對(duì)于工業(yè)零件，使用的材料通常與制造方法一樣重要，需要在材料開發(fā)領(lǐng)域進(jìn)行廣泛的研究。 麻省理工學(xué)院 (MIT) 的工程師最近開發(fā)了一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，能夠加快識(shí)別 3D 可打印材料的過程。 該團(tuán)隊(duì)的優(yōu)化算法通過自動(dòng)識(shí)別具有理想特性的可行打印材料來工作。

同樣，賓夕法尼亞州利哈伊大學(xué)的研究人員最近開發(fā)了一種新的基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)相似性對(duì)材料組進(jìn)行分類。 該技術(shù)正被用于尋找新開發(fā)材料之間以前看不見的聯(lián)系，甚至是結(jié)構(gòu)和特性等相關(guān)因素，可能會(huì)產(chǎn)生一種新的計(jì)算材料開發(fā)方法。

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