材料

为推进金属3D打印的可持续实践,形成了智能融合材料研究集群

跨学科团队来自威奇托州立,美国堪萨斯大学,堪萨斯州立大学该项目旨在通过应用一种新兴的数据分析算法,探索金属3D打印的可持续材料设计和制造流程。

该团队名为“智能融合材料研究集群”(SFMRC),其任务是通过推进计算机材料设计和3D打印的科学、技术和政策元素,促进可持续制造领域的研究、教育和实践。为了实现这一目标,他们将采用新的数据分析、计算方法和诊断工具,该团队称之为“社会-技术-经济方法”——将材料设计和制造理解为一个生态系统,其中个人、技术、基础设施和社会环境相互交织。

该项目首席研究员、威奇托州立大学机械工程副教授Gisuk Hwang博士说:“可持续材料设计和制造是重大的社会挑战,因为它们对于数十亿行业、经济部门和国家安全的技术进步和经济增长至关重要。”

“拟议的研究集群的任务是通过与intra-KBOR成员和创新校园的合作,调查科学、技术、社会-技术-经济、公共和环境政策在材料发现中的耦合互动,并培训学生和行业专业人员,以增强未来的劳动力。”

计划汇聚研究集群的示意图。图片来自SFMRC提案。

先进的金属3D打印技术

根据黄,当前金属添加剂制造的挑战包括缺乏了解材料特性之间的关系,3 d印刷工艺参数,3 d印刷部分的微观结构,孔隙大小和结构,和相变,力学性能,如强度、疲劳和热应力。为简单起见,黄哲伦将这一研究领域称为材料-过程-微观结构-力学关系,而促进这些相互联系的基础知识是该项目的主要短期目标之一。

为此,该团队将开发新的数据分析算法,能够理解从金属增材制造材料收集到的数字、文本和图像数据之间的关系,并将这些数据与诊断和计算模拟工具相结合,以了解材料优化方面的进展。然后,研究人员将调查促进已开发材料商业化的社会-技术-经济因素。

SFMRC将探索两种已经广泛应用于金属3D打印的金属,以及为各种增材制造应用优化带来更多挑战的金属,如铝、镍基合金、钛、铜和镁。

“目前,我们正试图通过反复试验来了解材料-工艺-微观结构-力学关系,这是一个非常昂贵的过程,”Hwang解释道。“我们计划使用数据分析方法,提出良好的预测工具,以降低成本,刺激(材料的)商业化。

“同时,我们也想了解这项技术在社会科学和政策方面商业化的瓶颈。”

建议进行可持续发展影响研究。图片来自SFMRC提案。
建议进行可持续发展影响研究。图片来自SFMRC提案。

预期的项目成果

到项目结束时,SFMRC希望能够开发出一个数据库系统,详细描述金属3D打印中各种材料的材料-工艺-微观结构-力学关系。用户将能够购买数据库中列出的打印参数,用于他们自己的项目。

该团队还希望开发一种量子传感设备,能够在3D打印过程中实时监测粉末床内部的局部温度。据Hwang介绍,该设备将采用量子物理技术,以非破坏性的方式测量粉末床的局部温度。该公司计划将量子传感器商业化,为用户提供无损诊断技术。

该项目还包含教育元素,并将寻求在参与该项目的大学内促进最佳实践、循证学习和教学策略。SFMRC的研究人员还将与小学、初中和高中的教师和学生合作,使金属3D打印更加贴近和方便。

Hwang说:“研究部分协同实施到教育部分,所以无论他们从研究中发现什么,我们都可以推动创业思维,为商业和经济活动提出创新的想法。”

材料研究与开发

目前,金属3D打印领域正在进行大量以材料为重点的研究,并且近年来取得了重大进展。

2019年,科学家在劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL),SLAC国家加速器实验室(线性)艾姆斯实验室用x射线成像来识别金属3D打印零件缺陷产生的原因并了解如何预防这种缺陷。从那时起,金属3D打印材料的氢脆已经被德克萨斯大学圣安东尼奥分校和一项由华盛顿大学调查了金属粉末再利用的影响关于3D打印零件的质量。

去年四月,来自德州农工大学发现了一种3D打印马氏体的方法无孔隙钢与什么被声称是迄今为止报告的任何3D打印合金的最高拉伸强度。减少3D打印金属部件的缺陷也在LLNL的其他地方进行了研究,在那里研究人员能够做到减少不良材料的“飞溅”在激光粉末层熔化过程中,减少松散粉末与新熔化材料的相互作用,以减少缺陷,提高各金属层的质量。

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特色的图像显示计划汇聚研究集群的示意图。图片来自SFMRC提案。