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DfAM专栏 | DLM-120HT金属材料高通量制备平台助力新材料研究

放大字体  缩小字体 发布日期:2021-06-12 11:11:38   来源:安世亚太  浏览次数:2066  
核心提示:材料高通制备技术发展背景 21世纪科技发展的主要方向之一是新材料的研制和应用。随着科技发展日新月异,对新材料的需求也越来越
       材料高通(tong)制备技术(shu)发展背景
       21世纪科技发展的主要方向之一是新材料的研制和应用。随着科技发展日新月异,对新材料的需求也越来越多,这就需要快速研制出更多满足需求的新材料。传统的材料研究和应用周期较长,已经不符合当前新材料研发的需求。因此为了使新材料研发更省时,更经济,急需新的新材料研究及制备方法。


图1 各种新材料开发需求

图灵奖得主,关系型数据库的鼻祖Jim Gray(吉姆-格雷)在2007年加州山景城召开的NRC-CSTB大会上,提出将科学研究分为四类范式(Paradigm,某种必须遵循的规范或大家都在用的套路),依次为实验归纳,模型推演,仿真模拟和数据密集型科学发现(Data-Intensive Scientific Discovery)。其中,最后的“数据密集型”,也就是现在我们所称的“科学大数据”。因此未来新材料的开发更多的会以海量的数据作为基础,这也是当前发展“材料基因组”工程的重要原因,“材料基因组工程”以前所未有的大量数据为基础,将人工智能数据技术与高通量计算、高通量制备、高通量表征等新技术深度融合,更快、更准确的获得成分-结构-工艺-性能间的关系,从而实现对先进新材料及工艺进行设计预测,更快的获得所需的材料。2016年开始,我国首次将材料基因组工程与技术列入国家重点研发计划。
图2 科学研究的四(si)种范式

金属材料高通量制(zhi)备技(ji)术(shu)

      材(cai)料(liao)(liao)高(gao)通(tong)(tong)量(liang)(liang)(liang)制(zhi)(zhi)(zhi)备(bei)(bei)(bei)(bei)技术(shu)可以(yi)在(zai)短时间内制(zhi)(zhi)(zhi)备(bei)(bei)(bei)(bei)大量(liang)(liang)(liang)不同成分的(de)(de)(de)新型材(cai)料(liao)(liao),可以(yi)加速(su)新型材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)研(yan)发与应用(yong),被列为材(cai)料(liao)(liao)基因组技术(shu)的(de)(de)(de)三大技术(shu)要素之(zhi)一(yi)。其(qi)中(zhong)金(jin)属材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)高(gao)通(tong)(tong)量(liang)(liang)(liang)制(zhi)(zhi)(zhi)备(bei)(bei)(bei)(bei)有多种(zhong)制(zhi)(zhi)(zhi)备(bei)(bei)(bei)(bei)方(fang)法,但传统的(de)(de)(de)金(jin)属材(cai)料(liao)(liao)高(gao)通(tong)(tong)量(liang)(liang)(liang)制(zhi)(zhi)(zhi)备(bei)(bei)(bei)(bei)方(fang)法制(zhi)(zhi)(zhi)备(bei)(bei)(bei)(bei)周期长,制(zhi)(zhi)(zhi)备(bei)(bei)(bei)(bei)样品(pin)尺寸较小,能源消(xiao)耗较高(gao)。随着(zhe)增材(cai)制(zhi)(zhi)(zhi)造技术(shu)的(de)(de)(de)不断发展,采用(yong)增材(cai)制(zhi)(zhi)(zhi)造技术(shu)开展金(jin)属材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)高(gao)通(tong)(tong)量(liang)(liang)(liang)制(zhi)(zhi)(zhi)备(bei)(bei)(bei)(bei)也(ye)得到(dao)了迅(xun)速(su)的(de)(de)(de)发展,且增材(cai)制(zhi)(zhi)(zhi)造高(gao)通(tong)(tong)量(liang)(liang)(liang)制(zhi)(zhi)(zhi)备(bei)(bei)(bei)(bei)相较于传统高(gao)通(tong)(tong)量(liang)(liang)(liang)制(zhi)(zhi)(zhi)备(bei)(bei)(bei)(bei)技术(shu)呈现(xian)出了明显的(de)(de)(de)优势:
  1. 可以(yi)快速成型多(duo)种(zhong)材料(liao)试样;

  2. 可以(yi)制(zhi)备毫(hao)米级以(yi)上的块状样品;

  3. 研(yan)究过程中原材料消耗较少,更经(jing)济。


图3 金属(shu)材料高通量制备方法(fa)总(zong)览

基(ji)于此,安(an)世亚(ya)太科技(ji)股份有(you)限公司携手钢铁研究总院,基(ji)于激(ji)光(guang)选区熔化技(ji)术开发了具有(you)国际(ji)领(ling)先水平的DLM-120HT金(jin)属材料高通量增材制备设备。


图4 DLM-120HT金属材料高通量制备平台

DLM-120HT是基于异质粉末3D打印的新金属材料开发高通量制备平台。直接利用元素粉末或合金粉末进行激光选区熔化成型,一次打印过程可实现4种粉末、160种材料成分配比的力学性能样件制备,适用于钢铁材料、铝合金、钛合金、 镍基高温合金、高熵合金等金属新材料的成分筛选、性能研究以及梯度材料的研究。图片

 
图5 DLM-120HT金属材料高通量制备平台技术路线

DLM-120HT金属材料(liao)高通量制(zhi)备平(ping)台具有以下特色:
1、混构(gou)打(da)印
能实(shi)现不(bu)同金属粉末的混构打印,可自由(you)设计成分(fen)过渡(du),加速(su)新材料研发过程且可制(zhi)备(bei)对不(bu)同部(bu)位有不(bu)同要求的梯(ti)度材料金属构件(jian)(jian),提(ti)高构件(jian)(jian)性(xing)能、延长(zhang)使(shi)用寿命。
2、高性能
拥(yong)有精确控量的送粉(fen)(fen)器、自主(zhu)知识产(chan)权的高效粉(fen)(fen)末(mo)混合装置和高效、快(kuai)(kuai)拆、易维护的粉(fen)(fen)路系(xi)统,快(kuai)(kuai)速实现(xian)试样制备。
3、高灵活性(xing)
自主研发的APRO控制系统结合高度模块化的主机设备,可实现传统3D打印模式和高通量制备模式的自由切换,实现全自动、高效的样块及零件制备过程。


图6 DLM-120HT金属材料高通量制备设备特点

金属材料高通量制备解决方案

      1.材料成分设计
      基于材料热动力学计算在开展新材料研发前进行相图计算、扩散动力学模拟、析出动力学模拟及组织场计算等,基于计算结果来进行材料成分设计。图片

图7 材料热动力学仿真分析

2.打(da)印工艺仿真
借助有限元分析软(ruan)件(jian)来进行(xing)基(ji)于SLM工(gong)艺的打(da)印工(gong)艺仿(fang)真,对打(da)印过(guo)程的温度场、变形和应力进行(xing)分析,并开展(zhan)变形补偿设计、预(yu)测刮板碰撞及工(gong)艺参(can)数优化。


图8 打印工艺仿真分析

3.开展基于SLM工艺的高通量制(zhi)备
采(cai)用DLM-120HT金属(shu)材(cai)料(liao)高通(tong)量制(zhi)(zhi)备(bei)(bei)平台按照设(she)计成分及工(gong)艺开展高通(tong)量制(zhi)(zhi)备(bei)(bei),快速(su)制(zhi)(zhi)备(bei)(bei)出大量符合后(hou)续性能测试要求的(de)试样。


图9 DLM-120HT金属材料高通量制备平台所制备的样品展示

4.开展性能测试
针对所(suo)制备的样品开展相关性(xing)(xing)能(neng)(neng)测试,包(bao)括(kuo)密度(du)(du)、硬度(du)(du)、力(li)学性(xing)(xing)能(neng)(neng)、组织(zhi)及成分(fen)等,快速得到所(suo)需(xu)的性(xing)(xing)能(neng)(neng)参数(shu)。

 
图10 相关性能测试项目

5.进行设计(ji)成分(fen)及工(gong)艺参数优化
基于(yu)前期所设计的(de)(de)不同成(cheng)分数(shu)据(ju)、不同制备(bei)(bei)工(gong)艺数(shu)据(ju)以及(ji)(ji)测试得到的(de)(de)相关性能数(shu)据(ju)开展敏感性分析(xi)及(ji)(ji)参(can)(can)数(shu)优化工(gong)作,分析(xi)得到影(ying)响(xiang)最终合金(jin)样品性能的(de)(de)成(cheng)分参(can)(can)数(shu)或工(gong)艺参(can)(can)数(shu),并得到最优的(de)(de)成(cheng)分配比和制备(bei)(bei)工(gong)艺。

 
图11 参(can)数优化分(fen)析

结论(lun)

      新(xin)材(cai)料(liao)的(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu),是(shi)人类(lei)对物质性质认识和应用(yong)向更深层次的(de)(de)进(jin)军。材(cai)料(liao)创新(xin)已(yi)成为(wei)(wei)推动人类(lei)文明(ming)进(jin)步的(de)(de)重要动力之一(yi),也促进(jin)了新(xin)技术的(de)(de)发展和产(chan)业的(de)(de)升级。DLM-120HT金属材(cai)料(liao)高通量制备(bei)平台可以加速金属新(xin)材(cai)料(liao)研(yan)(yan)究(jiu)的(de)(de)步伐,为(wei)(wei)我国新(xin)材(cai)料(liao)的(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)添砖加瓦(wa)。

—作者—

      谢琰军
      材(cai)料物(wu)理与(yu)化(hua)学(xue)专业(ye),博士学(xue)位,多年(nian)材(cai)料及(ji)增材(cai)制(zhi)造(zao)领域研发经验,参与(yu)并实施多项金(jin)属增材(cai)制(zhi)造(zao)科(ke)研课题及(ji)相关技术(shu)开发工(gong)作(zuo);目前主要从事增材(cai)制(zhi)造(zao)设备及(ji)工(gong)艺相关的仿真及(ji)咨询工(gong)作(zuo)。
 
【本文仅代表作者看法,如有不同观(guan)点(dian),欢迎添(tian)加三迪时空(kong)微信公众号(微信号:sandishikong)进行讨论(lun)交流。】
 

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