3D打印技術(shù)參考注意到，新加坡制造技術(shù)研究所譚超林博士聯(lián)合中國(guó)石油大學(xué)、上海交通大學(xué)、 普林斯頓大學(xué)、馬耳他大學(xué)、華中科技大學(xué)（張海鷗教授）、加州大學(xué)爾灣分校、湖南大學(xué)以及EPM咨詢(xún)公司于5月8日在制造領(lǐng)域頂級(jí)期刊《International Journal of Machine Tools and Manufacture》發(fā)表了題為“Review on field assisted metal additive manufacturing（場(chǎng)輔助金屬增材制造綜述）”的文章。新加坡制造技術(shù)研究所、上海交大、普林斯頓大學(xué)為通訊作者單位。

這一“超級(jí)團(tuán)隊(duì)”闡述了當(dāng)前場(chǎng)輔助增材制造技術(shù)的進(jìn)展，揭示了場(chǎng)與沉積金屬材料之間的相互作用機(jī)制，總結(jié)了輔助場(chǎng)、微觀(guān)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能之間的相關(guān)性，展望了場(chǎng)輔助增材制造的研究機(jī)會(huì)。

多種類(lèi)型的現(xiàn)場(chǎng)輔助增材制造 (FAAM) 技術(shù)概述

https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2023.104032

場(chǎng)輔助增材制造

增材制造技術(shù)為加工復(fù)雜部件提供了前所未有的設(shè)計(jì)自由度和制造靈活性，它能夠制造其他工藝無(wú)法制造的零件，同時(shí)最大限度地減少加工步驟。典型的金屬增材制造工藝包括激光粉末床熔融（LPBF）、激光能量沉積（LDED）、電子束熔化 (EBM) 和電弧增材制造 (WAAM)等，這些技術(shù)各有其冶金特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)和適用范圍。LPBF的構(gòu)建速度較低，但在處理復(fù)雜幾何形狀方面具有出色的能力，例如晶格結(jié)構(gòu)、先進(jìn)工具（如具有隨形冷卻通道的模具嵌件）、定制的醫(yī)療植入物等；相比之下，LDED和WAAM具有較低的尺寸分辨率，同時(shí)沉積速率比LPBF高得多，使其適用于大型組件制造。此外，LDED和WAAM中材料進(jìn)給的靈活性增加，可以在同一層內(nèi)和跨層沉積多種材料，LDED中靈活的刀具路徑可以修復(fù)大型自由曲面零件。

場(chǎng)輔助典型金屬增材制造技術(shù)

因此，盡管這些技術(shù)與傳統(tǒng)制造方法相比具有眾多優(yōu)勢(shì)，但仍然存在一些問(wèn)題和瓶頸阻礙了其大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。例如打印適應(yīng)性差的材料會(huì)存在缺陷，導(dǎo)致較大的柱狀枝晶在各向異性機(jī)械性能、疲勞性能差。為了解決這些問(wèn)題并充分發(fā)揮增材制造技術(shù)的潛力，人們研究了用于定制微觀(guān)結(jié)構(gòu)、創(chuàng)新設(shè)備和裝置以及引入新概念的新方法。場(chǎng)輔助增材制造 (FAAM)，是一種結(jié)合不同能量場(chǎng)的固有優(yōu)勢(shì)來(lái)克服增材制造局限性的新手段。應(yīng)用在增材制造工藝中的典型輔助場(chǎng)包括磁場(chǎng)、聲學(xué)、機(jī)械和熱場(chǎng)，此外還有一些新興的技術(shù)如等離子場(chǎng)、電場(chǎng)、耦合多場(chǎng)作為輔助能量場(chǎng)。

場(chǎng)輔助增材制造的機(jī)理與優(yōu)勢(shì)

譚超林教授研究團(tuán)隊(duì)對(duì)當(dāng)前主流的磁場(chǎng)、聲學(xué)、機(jī)械、熱場(chǎng)、電和等離子場(chǎng)輔助技術(shù)如何影響金屬增材制造過(guò)程進(jìn)行了審查，認(rèn)為輔助場(chǎng)會(huì)影響熔池對(duì)流和動(dòng)力學(xué)，改變材料凝固過(guò)程中的溫度分布和熱歷史，并對(duì)沉積材料產(chǎn)生應(yīng)力或塑性變形；詳細(xì)回顧和討論了輔助場(chǎng)如何對(duì)熔池動(dòng)力學(xué)、凝固動(dòng)力學(xué)、致密化行為、微觀(guān)結(jié)構(gòu)和織構(gòu)、機(jī)械性能和疲勞性能產(chǎn)生影響；還討論了場(chǎng)輔助增材制造的研究空白和進(jìn)一步發(fā)展趨勢(shì)的觀(guān)點(diǎn)。

使用磁場(chǎng)輔助增材制造示意圖

使用聲場(chǎng)輔助增材制造示意圖

使用熱場(chǎng)輔助增材制造示意圖

使用機(jī)械變形輔助增材制造示意圖

輔助增材制造的多場(chǎng)相互作用可以為調(diào)整沉積材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能帶來(lái)更多機(jī)會(huì)。例如，增材制造中磁-熱-變形場(chǎng)的耦合有可能提高材料的強(qiáng)度、延展性和疲勞性能。因?yàn)榇艌?chǎng)可以促進(jìn)等軸晶粒的形成，減輕機(jī)械各向異性和提高延展性，而熱場(chǎng)能夠在材料中原位形成強(qiáng)化沉淀物以獲得更好的強(qiáng)度。同時(shí)，機(jī)械變形通過(guò)消除缺陷、細(xì)化晶粒和在材料中引起壓應(yīng)力來(lái)提高疲勞性能是可行的。此外，超聲振動(dòng)可以攪拌和混合熔池，這有可能用于解決復(fù)合粉末增材制造中的均勻性問(wèn)題。當(dāng)前，場(chǎng)輔助主要基于LPBF、LDED和WAAM工藝，并已應(yīng)用于范圍廣泛的金屬材料，包括鋁合金、鈦合金、鎳基高溫合金、鎂合金和鋼。輔助場(chǎng)對(duì)熔池對(duì)流和動(dòng)力學(xué)、溫度分布和微觀(guān)結(jié)構(gòu)凝固行為等有重大影響。輔助場(chǎng)在增材制造過(guò)程帶來(lái)了幾個(gè)優(yōu)勢(shì)，其中值得注意的有：

• 改善成形質(zhì)量和表面粗糙度；

• 提高材料的打印適應(yīng)性性和致密性；

• 減少殘余應(yīng)力或改變殘余應(yīng)力條件；

• 影響凝固行為并調(diào)整微觀(guān)結(jié)構(gòu)；

• 減輕機(jī)械性能的各向異性并提高機(jī)械性能；

• 改善疲勞性能等。

開(kāi)發(fā)新材料，實(shí)現(xiàn)功能集成

增材制造材料的定制化是一種發(fā)展趨勢(shì)。除了系統(tǒng)和工藝的進(jìn)步外，還應(yīng)強(qiáng)調(diào)協(xié)同設(shè)計(jì)材料和制造工藝的創(chuàng)新，場(chǎng)輔助增材制造為開(kāi)發(fā)新材料提供了機(jī)會(huì)。例如，熱場(chǎng)可用于促進(jìn)沉淀物的形成和調(diào)整相組成；與機(jī)械場(chǎng)相關(guān)的大變形可以促進(jìn)再結(jié)晶和原位析出，因?yàn)樗鼈兎謩e具有高儲(chǔ)存能量和更多的潛在成核位點(diǎn)；具有快速沉淀動(dòng)力學(xué)的材料有可能在輔助機(jī)械場(chǎng)處理過(guò)程中實(shí)現(xiàn)原位沉淀。此外，在增材制造過(guò)程中部署聲場(chǎng)可以分散有害的硬相偏析，這也提供了一個(gè)很好的機(jī)會(huì)來(lái)容納材料中的高密度硬相（如鋼中的 Laves 相）以強(qiáng)化材料作為有益相。因此，必須從材料設(shè)計(jì)的角度構(gòu)建場(chǎng)輔助手段，以最終利用輔助場(chǎng)。

場(chǎng)輔助對(duì)增材制造過(guò)程的作用機(jī)制總結(jié)

輔助場(chǎng)對(duì)增材制造的貢獻(xiàn)總結(jié)

使用場(chǎng)輔助開(kāi)發(fā)異質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能材料也是可行的。機(jī)械場(chǎng)可用于開(kāi)發(fā) BCC/FCC異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，因?yàn)闄C(jī)械應(yīng)變可以誘導(dǎo)從FCC到BCC的轉(zhuǎn)變。具體而言，在分層沉積中，交替施加機(jī)械應(yīng)變（如滾壓或錘擊）可以獲得分層BCC/FCC異質(zhì)結(jié)構(gòu)雙相組分，這有可能實(shí)現(xiàn)更高的機(jī)械性能。除此之外，當(dāng)前的金屬增材制造技術(shù)無(wú)法對(duì)打印微結(jié)構(gòu)的程序控制，因此缺乏對(duì)組件內(nèi)材料復(fù)雜性的探索。在增材制造過(guò)程中使用輔助場(chǎng)可以在組件中局部調(diào)整晶粒尺寸/形狀、相組成和應(yīng)力水平，這能夠定義不同區(qū)域的特性和性能以提高組件的整體性能，例如如強(qiáng)度-塑性協(xié)同、強(qiáng)度-疲勞組合、綜合延性和耐磨性、綜合強(qiáng)度-熱性能、綜合磁性和非磁性部件等。

場(chǎng)輔助增材制造技術(shù)的未來(lái)發(fā)展

這篇批判性評(píng)論為研究人員提供了有關(guān)場(chǎng)輔助增材制造的完整最新信息，這有助于確定每種場(chǎng)輔助技術(shù)的不足和優(yōu)勢(shì)，并提高成熟度和技術(shù)準(zhǔn)備水平。

場(chǎng)輔助增材制造還有望在處理高幾何復(fù)雜度組件方面具有高度靈活性，并在沉積大型或小型自由形式組件方面具有良好的可擴(kuò)展性。這對(duì)過(guò)程和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提出了很高的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗缶鶆虻膱?chǎng)分布。均勻場(chǎng)分布的突破將提高場(chǎng)輔助技術(shù)的靈活性和可擴(kuò)展性，并使其應(yīng)用成熟和擴(kuò)展。

場(chǎng)輔助增材制造系統(tǒng)的認(rèn)證和商業(yè)化是另一個(gè)進(jìn)展方向，因?yàn)槟壳暗膱?chǎng)輔助增材設(shè)備大多是實(shí)驗(yàn)性的，沒(méi)有嚴(yán)格的測(cè)試和認(rèn)證。實(shí)驗(yàn)室階段的技術(shù)可能存在穩(wěn)定性和可重復(fù)性問(wèn)題，不足以處理可靠的工業(yè)產(chǎn)品。因此，需要嚴(yán)格的系統(tǒng)認(rèn)證才能將場(chǎng)輔助技術(shù)商業(yè)化。同時(shí)，還需要制定和編制系統(tǒng)資質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)商業(yè)用途的資質(zhì)進(jìn)行指導(dǎo)和認(rèn)證?？煽康纳虡I(yè)設(shè)備將吸引更多的研究人員在工業(yè)應(yīng)用中推進(jìn)和實(shí)施 場(chǎng)輔助技術(shù)。

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