由應用科學與工程學院的Yu Zou教授領導的多倫多大學研究人員團隊正在努力在該大學的第一個金屬3D打印實驗室推進金屬增材制造領域。

該技術(shù)使用計算機輔助設計(CAD)逐層構(gòu)建材料，可以改善航空航天，生物醫(yī)學，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，以及提高其魯棒性并通過其應用創(chuàng)造新穎的結(jié)構(gòu)和功能材料，”材料科學與工程系助理教授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。其中包括復雜幾何形狀的制造、設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。

“當今傳統(tǒng)合金設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計對于傳統(tǒng)的制造方法是不可能的，“材料科學與工程碩士生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習方法。

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，訓練有素的深度學習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，例如分類，檢測和分割，”張補充道。

當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用機器學習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)。