DfAM專欄 | DLM-120HT金屬材料高通量制備平臺助力新材料研究
2021年6月10日 14:07瀏覽：2515 評論：2
21世紀科技發展的主要方向之一是新材料的研制和應用。隨著科技發展日新月異，對新材料的需求也越來越多，這就需要快速研制出更多滿足需求的新材料。傳統的材料研究和應用周期較長，已經不符合當前新材料研發的需求。因此為了使新材料研發更省時，更經濟，急需新的新材料研究及制備方法。
圖靈獎得主，關系型數據庫的鼻祖Jim Gray（吉姆-格雷）在2007年加州山景城召開的NRC-CSTB大會上，提出將科學研究分為四類范式（Paradigm，某種必須遵循的規范或大家都在用的套路），依次為實驗歸納，模型推演，仿真模擬和數據密集型科學發現（Data-Intensive Scientific Discovery）。其中，最后的“數據密集型”，也就是現在我們所稱的“科學大數據”。因此未來新材料的開發更多的會以海量的數據作為基礎，這也是當前發展“材料基因組”工程的重要原因，“材料基因組工程”以前所未有的大量數據為基礎，將人工智能數據技術與高通量計算、高通量制備、高通量表征等新技術深度融合，更快、更準確的獲得
成分-結構-工藝-性能間
的關系，從而實現對先進新材料及工藝進行設計預測，更快的獲得所需的材料。2016年開始，我國首次將材料基因組工程與技術列入國家重點研發計劃。
材料高通量制備技術可以在短時間內制備大量不同成分的新型材料，可以加速新型材料的研發與應用，被列為材料基因組技術的三大技術要素之一。
其中金屬材料的高通量制備有多種制備方法，但傳統的金屬材料高通量制備方法制備周期長，制備樣品尺寸較小，能源消耗較高。隨著增材制造技術的不斷發展，采用增材制造技術開展金屬材料的高通量制備也得到了迅速的發展，且增材制造高通量制備相較于傳統高通量制備技術呈現出了
明顯的優勢：
可以快速成型多種材料試樣；
可以制備毫米級以上的塊狀樣品；
研究過程中原材料消耗較少，更經濟。
DLM-120HT是基于異質粉末3D打印的新金屬材料開發高通量制備平臺。直接利用元素粉末或合金粉末進行激光選區熔化成型，一次打印過程可實現
4種
粉末、
160種
材料成分配比的力學性能樣件制備，適用于鋼鐵材料、鋁合金、鈦合金、 鎳基高溫合金、高熵合金等金屬新材料的成分篩選、性能研究以及梯度材料的研究。
圖5 DLM-120HT金屬材料高通量制備平臺技術路線
DLM-120HT金屬材料高通量制備平臺具有以下特色：
能實現不同金屬粉末的混構打印，可自由設計成分過渡，加速新材料研發過程且可制備對不同部位有不同要求的梯度材料金屬構件，提高構件性能、延長使用壽命。
擁有精確控量的送粉器、自主知識產權的高效粉末混合裝置和高效、快拆、易維護的粉路系統，快速實現試樣制備。
自主研發的APRO控制系統結合高度模塊化的主機設備，可實現傳統3D打印模式和高通量制備模式的自由切換，實現全自動、高效的樣塊及零件制備過程。
圖6 DLM-120HT金屬材料高通量制備設備特點
基于材料熱動力學計算在開展新材料研發前進行相圖計算、擴散動力學模擬、析出動力學模擬及組織場計算等，基于計算結果來進行材料成分設計。
借助有限元分析軟件來進行基于SLM工藝的打印工藝仿真，對打印過程的溫度場、變形和應力進行分析，并開展變形補償設計、預測刮板碰撞及工藝參數優化。
采用DLM-120HT金屬材料高通量制備平臺按照設計成分及工藝開展高通量制備，快速制備出大量符合后續性能測試要求的試樣。
圖9 DLM-120HT金屬材料高通量制備平臺所制備的樣品展示
針對所制備的樣品開展相關性能測試，包括密度、硬度、力學性能、組織及成分等，快速得到所需的性能參數。
基于前期所設計的不同成分數據、不同制備工藝數據以及測試得到的相關性能數據開展敏感性分析及參數優化工作，分析得到影響最終合金樣品性能的成分參數或工藝參數，并得到最優的成分配比和制備工藝。
新材料的研究，是人類對物質性質認識和應用向更深層次的進軍。材料創新已成為推動人類文明進步的重要動力之一，也促進了新技術的發展和產業的升級。DLM-120HT金屬材料高通量制備平臺可以加速金屬新材料研究的步伐，為我國新材料的研究添磚加瓦。
材料物理與化學專業，博士學位，多年材料及增材制造領域研發經驗，參與并實施多項金屬增材制造科研課題及相關技術開發工作；目前主要從事增材制造設備及工藝相關的仿真及咨詢工作。
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