研究人员推进用于汽车能源和生物医学应用的金属3D打印技术

由应用科学与工程学院的YuZou教授领导的多伦多大学研究团队正在该大学的第一个金属3D打印实验室致力于推进金属增材制造领域。

该技术使用计算机辅助设计(CAD)逐层构建材料，可以改善航空航天、生物医学、能源和汽车行业的制造。

材料科学与工程系助理教授邹说：“我们正在努力揭示增材制造过程背后的基础物理学，并通过其应用提高其稳健性并创造新型结构和功能材料。”

与零件或组件由散装材料制成的传统制造不同，金属3D打印工艺可以在本地定制微观结构和材料构成，这意味着它们可以展现出不同的特性。

“例如，医疗植入物需要类似人骨的材料，这些材料的外部致密坚硬，但内部多孔，”博士肖尚说。Zou实验室的候选人。“对于传统制造，这真的很难实现——但金属打印为您提供了更多的控制和定制产品。”

减材制造技术通常涉及去除材料以获得所需的最终产品。相比之下，增材制造通过添加材料层来构建新对象。在生产航空发动机部件、汽车生产工具部件、核反应堆关键部件和关节植入物等物体时，该工艺可显着减少生产时间、材料成本和能源消耗。

Zou的金属3D打印机专门用于选择性激光熔化和定向能量沉积——学术界和工业界都使用的两种基本金属增材制造技术。

首先，CAD软件用于创建对象及其图层的3D模型。然后，对于每一层，机器都会沉积一层非常薄的金属粉末，随后根据3D模型定义的几何形状，使用强大的激光将其熔化。

熔融金属凝固后，它会粘附到前一层或基材上。每层完成后，机器将重复粉末掺杂和激光熔化过程，直到打印完所有层并完成物体。

“传统制造技术仍然非常适合大规模工业制造，”博士生TianyiLyu说。材料科学与工程候选人。“但增材制造具有超越传统技术的能力。这些包括复杂几何形状的制造、快速原型制作和设计定制，以及材料特性的精确控制。”

例如，牙科专业人员可以使用选择性激光熔化技术，通过尺寸精度在几微米以内的精确3D模型，为特定患者定制假牙或植入物。快速原型制作还可以轻松调整义齿设计。由于植入物在不同的位置可能需要不同的材料特性，这可以通过简单地改变工艺参数来实现。

该团队还应用新颖的实验和分析方法来更好地了解选择性激光熔化和定向能量沉积印刷工艺。目前，他们的研究重点是先进钢材、镍基高温合金和高熵合金，未来可能会扩大到钛和铝合金的探索。

“当今传统合金设计的主要瓶颈之一是创建和测试新材料所需的大量加工时间。这种类型的高通量设计对于传统制造方法来说是不可能的，”硕士生AjayTalbot说。材料科学与工程。

通过定向能量沉积等增材制造技术，该团队正在迅速增加探索的合金系统的数量，通过添加或去除某些元素来改变打印过程中材料的成分。

“我们也在朝着智能制造方向努力。在金属3D打印过程中，高能激光与材料之间的相互作用只持续几微秒。但是，在这个有限的时间范围内，多尺度、多物理现象需要地方，”博士JiahuiZhang说。材料科学与工程候选人。“我们的主要挑战是获取数据来捕捉这些现象。

“在我们的研究中，我们已经成功地为金属增材制造生命周期的不同部分定制了特定的机器学习方法。”

在实验室中，高速红外摄像系统直接集成到金属3D打印机中。该团队还建立了一个基于打印机拍摄的图像的原位监控系统，以分析和提取打印对象的关键特征。

“随着计算机视觉的发展，训练有素的深度学习模型可以自动完成人类视觉系统可以完成的一些基本任务，例如分类、检测和分割，”张补充道。

当前增材制造工艺的一个问题是构建坚固可靠的3D打印机，以提供始终如一的高质量零件。为此，该团队正积极致力于应用机器学习和计算机视觉来开发完全自主的闭环控制3D打印系统，该系统可以检测和纠正增材制造零件中可能出现的缺陷。Zou说，实施这些系统可以极大地扩大金属增材制造系统在行业中的采用。

自建立实验室的金属打印能力以来，邹和他的团队与政府研究实验室建立了合作伙伴关系，包括加拿大国家研究委员会(NRC)和许多加拿大公司，包括OetikerLimited、MechSolutionsLtd.、EXCOEngineering和MagnaInternational。

“正如我们所知，金属3D打印有可能彻底改变制造业，”Zou说，他开设了面向本科生和研究生的增材制造课程。“借助强大的自主系统，可以显着降低运行这些系统的成本，从而使金属增材制造在全球各行各业得到更广泛的采用。该过程还减少了材料和能源浪费，从而实现了更具可持续性的制造业。”

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