增材制造(也称为3D打印)领域正在获得大量应用和飞速发展。这个快速增长的领域使制造商能够生产出更复杂和更轻巧的部件，同时减少材料浪费。业界对于增材制造材料在制造条件下将表现出怎样的行为不断提出各种问题：材料是否经久耐用？腐蚀是否会成为一个问题？部件是否能够承受应力？
有鉴于此，美国最早的理工科大学之一马萨诸塞州伍斯特理工学院(MPI)的教师和学生正在开展多项课题研究，主要目的是揭示增材制造中材料的处理工艺、结构和性能之间的关系。
虽然增材制造材料的类型多种多样——包括聚合物、陶瓷、玻璃和树脂——但伍斯特理工学院专门研究金属和合金的增材制造，令人瞩目。
“我们的工作很独特，”伍斯特理工学院机械工程副教授Jianyu Liang博士介绍说。“不同的专业首次携手工作，使我们能够从材料科学的角度来了解，增材制造的条件是怎样影响材料性能的。”
学院正在进行的一些研究涉及到军方项目，优异的性能至关重要。举例来说，如果坦克、直升机或枪支上的部件在战斗中损坏，增材制造能够让士兵们在战场上得到可靠的更换件，而不必等待修理。
Liang博士的研究小组同伍斯特理工学院机械工程教授和热处理杰出技术中心(CHTE)技术主管Richard Sisson密切合作。研究小组采用热等静压或其他热处理方法对增材制造部件进行处理，使材料能够在不产生应力断裂、腐蚀、孔洞或其他机械性能缺陷的情况下达到最佳性能。
精细冷喷涂工艺
研究小组正在进行的工作之一是研究一种叫作精细冷喷涂的增材制造工艺。这是一种同更为人熟知的热喷涂工艺相类似的固态沉积工艺，二者之间的主要区别在于，热喷涂原料的粉末颗粒要经过熔化，而冷喷涂的粉末则在整个工艺过程中保持固体状态。
工艺
在图1中，您可以看到气体入口。气体被用来对粉末颗粒进行加速。
图1. 冷喷涂工艺
通常使用氮气或氦气，因为这两种化学元素的分子量都很小，而它们的膨胀系数都很大。气体经过控制模块后分成两路，分别被送至电加热器和粉末给料器。电加热器使气体温度升高到25°C – 650°C。对气体进行加热能够使其在拉瓦尔喷嘴(渐缩渐扩喷嘴)中获得更大的加速度。
第二路气体被用来吹送粉末给料器中的粉末，并将气固两相流导至超音速喷嘴。两路气流再次混合，然后进入喷嘴。喷嘴的第一段(收缩段)将混合气流压缩。在完成压缩后，喷嘴开始扩张，使气体和粉末颗粒得到加速。加速的幅度如此之大，以至于粉末颗粒在离开喷嘴时达到了超音速。
这股携带着粉末的超音速气流喷出后，冲击到喷嘴前面的一块基材上。粉末颗粒在高速撞击下产生很大变形，并且由于结合机制的存在而开始逐层形成大块固体(比如矩形块)。当工艺结束后，就能够得到期望形状的近终形部件。
研究目的
精细冷喷涂工艺的主要局限是必须使用超细粉末，而粉末的流动性较差。实际上，超细粉末的高团聚性使其容易形成团块并造成堵塞。
在过去的十年间，业界尝试了许多特殊的给料系统，但成效甚微。鉴于这种情况，伍斯特理工学院博士研究生Ryan Mocadlo在Jianyu Liang和Sisson的指导下进行了一项课题研究，希望帮助设计一种能够稳定和精确地剂量粉末的创新性的给料系统。此项研究的设想是，利用超声波振动为粉末提供恒定的进给力。
在这些实验中，为了达到上述目标，给料系统结合采用了表面波、行波和驻波。一旦粉末流量达到稳定，系统就能够以小于110微米的宽度沉积出高分辨率的线条。
应用
美国国防部对这种增材制造工艺很感兴趣，希望用它来制造结构坚固，附着力强，能够承受发射时的极大超重的共形天线和电子构装。最终，该工艺可能被用来为众多行业生产结合牢固的微电路，与传统工艺相比不仅能够避免使用有害的掩膜，还能大幅度提高产量。
304L不锈钢DMLS工艺参数的优化
伍斯特理工学院正在进行的另一项增材制造课题研究是304L不锈钢的直接金属激光烧结(DMLS)工艺。
工艺
DMLS是增材制造工艺中的一种(图2)，它利用以一定的扫描速率和扫描间距移动的特定功率的激光照射粉末薄层，使其部分熔化，产生光栅形式的类似于焊缝的熔化轨迹。这种光栅形式能够有效地防止因为热量集中和温度梯度而产生热应力。
图2. DMLS单行扫描轨迹(称为熔珠试验)的扫描电镜照片。随着激光扫描速度加快，激光总能量产生的熔体数量减少，使金属形成珠状或球状。
增材制造中采用的能量密度不足以将粉末完全熔化，而是使粉末在表层部分熔化，但颗粒内部则不熔化。这样，材料能够沿扫描方向铺开并重叠，从而在凝固后形成一层。然后，又一层粉末铺开并重复这一过程，直到组成一个完整的部件(图3)。
图3. 一个DMLS打印部件的表面粗糙度彩色图像
研究目的
这项课题正在由伍斯特理工学院博士研究生Andelle Kudzal(图4)在Jianyu Liang和Sisson的指导下进行研究，目的是通过实验帮助针对以前未曾使用过的增材制造材料的表面粗糙度而优化3D打印的工艺参数。另外，她还要改进DMLS工艺，以提高最终产品的质量稳定性。这样，整个工艺而不只是各个部件都将提高可靠性。
图4. 伍斯特理工学院研究小组的部分成员。该小组正在从材料科学角度揭示增材制造条件对材料性能的影响。自左至右：伍斯特理工学院机械工程副教授Jianyu Liang，博士研究生Andelle Kudzal和Ryan Mocadlo。
研究面临的难题
截至目前，已经在一台ProX100 DMLS打印机上进行了304L不锈钢的研究性实验。由于它是一种开源机，同商用机相比有更多的变量需要控制。这也意味着对于能够使用的材料没有限制(不必依赖于市场上现有的粉末产品)，因为工艺参数不是针对每种材料预设的。
以后的课题将研究如何通过改变最终部件的微观结构而控制打印产品的机械性能，这将能够帮助确认整个工艺而不只是各个部件的可靠性。
这需要掌握并定量描述初始粉末料床的性质，以及了解工艺参数的影响。伍斯特理工学院正在重点研究粉末的初始性质，比如微观结构、形态、装填系数、热性质和流动性。伍斯特理工学院开展的其他增材制造课题研究还包括了钛合金的生物医学应用和半固态加工技术。
