由應(yīng)用科學(xué)與工程學(xué)院的Yu Zou教授領(lǐng)導(dǎo)的多倫多大學(xué)研究人員團隊正在努力在該大學(xué)的第一個金屬3D打印實驗室推進金屬增材制造領(lǐng)域。

該技術(shù)使用計算機輔助設(shè)計(CAD)逐層構(gòu)建材料，可以改善航空航天，生物醫(yī)學(xué)，能源和汽車行業(yè)的制造。

“我們正在努力揭示增材制造過程背后的基本物理學(xué)，以及提高其魯棒性并通過其應(yīng)用創(chuàng)造新穎的結(jié)構(gòu)和功能材料，”材料科學(xué)與工程系助理教授Zou說。

與零件或組件由散裝材料制成的傳統(tǒng)制造不同，金屬3D打印工藝使微觀結(jié)構(gòu)和材料構(gòu)成能夠在本地定制，這意味著它們可以表現(xiàn)出獨特的特性。

“例如，醫(yī)療植入物需要類似人體骨骼的材料，這些材料在外部致密而堅硬，但內(nèi)部是多孔的，”Zou實驗室的博士候選人Xiao Shang說。“對于傳統(tǒng)制造業(yè)來說，這真的很難實現(xiàn) - 但金屬打印為您提供了更多的控制和定制產(chǎn)品。

減材制造技術(shù)通常涉及去除材料以獲得所需的最終產(chǎn)品。相比之下，增材制造通過添加材料層來構(gòu)建新對象。在生產(chǎn)航空航天發(fā)動機部件、汽車生產(chǎn)工具部件、核反應(yīng)堆關(guān)鍵部件和關(guān)節(jié)植入物等物體時，該工藝顯著減少了生產(chǎn)時間、材料成本和能源消耗。

Zou的金屬3D打印機專門用于選擇性激光熔化和定向能量沉積 - 學(xué)術(shù)界和工業(yè)界使用的兩種基本金屬增材制造技術(shù)。

首先，CAD軟件創(chuàng)建對象及其圖層的3D模型。然后，對于每一層，機器都會沉積一層非常薄的金屬粉末，隨后根據(jù) 3D 模型定義的幾何形狀通過強大的激光熔化。

熔融金屬凝固后，它會粘附在前一層或基材上。每層完成后，機器將重復(fù)粉末摻雜和激光熔化過程，直到打印所有層并完成對象。

“傳統(tǒng)的制造技術(shù)仍然非常適合大規(guī)模工業(yè)制造，”材料科學(xué)與工程博士生Tianyi Lyu說。“但增材制造具有超越傳統(tǒng)技術(shù)的能力。其中包括復(fù)雜幾何形狀的制造、設(shè)計的快速原型制作和定制，以及對材料特性的精確控制。

例如，牙科專業(yè)人員可以使用選擇性激光熔化，通過尺寸精度在幾微米以內(nèi)的精確3D模型，為特定患者定制假牙或植入物?？焖僭椭谱鬟€可以輕松調(diào)整義齒設(shè)計。由于植入物在不同位置需要不同的材料特性，因此只需更改工藝參數(shù)即可實現(xiàn)。

該團隊還應(yīng)用新穎的實驗和分析方法，以更好地了解選擇性激光熔化和定向能量沉積打印過程。目前，他們的研究集中在先進鋼，鎳基高溫合金和高熵合金上，未來可能會擴展到探索鈦和鋁合金。

“當(dāng)今傳統(tǒng)合金設(shè)計的主要瓶頸之一是創(chuàng)建和測試新材料所需的大量加工時間。這種類型的高通量設(shè)計對于傳統(tǒng)的制造方法是不可能的，“材料科學(xué)與工程碩士生Ajay Talbot說。

通過定向能量沉積等增材制造技術(shù)，該團隊正在迅速增加探索的合金系統(tǒng)的數(shù)量，通過添加或去除某些元素來改變打印過程中材料的成分。

“我們也在努力實現(xiàn)智能制造。在金屬3D打印過程中，高能激光器與材料之間的相互作用僅持續(xù)幾微秒。然而，在這個有限的時間內(nèi)，多尺度，多物理現(xiàn)象發(fā)生了，“材料科學(xué)與工程博士候選人張家輝說。“我們的主要挑戰(zhàn)是獲得數(shù)據(jù)來捕捉這些現(xiàn)象。

“在我們的研究中，我們已經(jīng)成功地為金屬增材制造生命周期的不同部分定制了特定的機器學(xué)習(xí)方法。

在實驗室中，高速紅外攝像系統(tǒng)直接集成到金屬3D打印機中。該團隊還根據(jù)打印機拍攝的圖像構(gòu)建了一個原位監(jiān)控系統(tǒng)，以分析和提取打印對象的關(guān)鍵特征。

“隨著計算機視覺的發(fā)展，訓(xùn)練有素的深度學(xué)習(xí)模型可以自動完成人類視覺系統(tǒng)可以完成的一些基本任務(wù)，例如分類，檢測和分割，”張補充道。

當(dāng)前增材制造工藝的問題之一是構(gòu)建堅固可靠的3D打印機，可以提供一致的高質(zhì)量零件。

為此，該團隊正在積極努力應(yīng)用機器學(xué)習(xí)和計算機視覺來開發(fā)一個完全自主的閉環(huán)控制的3D打印系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以檢測和糾正通過增材制造制造的零件中出現(xiàn)的缺陷。實施這些系統(tǒng)可以大大擴大金屬增材制造系統(tǒng)在行業(yè)中的采用，Zou說。

自從建立實驗室的金屬打印能力以來，鄒和他的團隊與政府研究實驗室建立了合作伙伴關(guān)系，包括加拿大國家研究委員會(NRC)和許多加拿大公司，包括歐梯克有限公司，Mech Solutions Ltd.，EXCO Engineering和麥格納國際。

“正如我們所知，金屬3D打印有可能徹底改變制造業(yè)，”Zou說，他為本科生和研究生提供增材制造課程。“借助強大的自主系統(tǒng)，可以大大降低這些系統(tǒng)的運營成本，從而使金屬增材制造能夠在全球各行各業(yè)得到更廣泛的采用。

“該工藝還減少了材料和能源浪費，從而實現(xiàn)了更可持續(xù)的制造業(yè)。

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