深度：功能梯度增材制造綜述

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：本文介紹了對(duì)FGAM概念的最新理解，涵蓋了能夠生產(chǎn)FGAM部件的現(xiàn)有技術(shù)的概述，并確定了當(dāng)前技術(shù)的局限性和挑戰(zhàn)。

功能梯度增材制造(FGAM)是一種逐層制造工藝，涉及到在一個(gè)組件內(nèi)逐步改變材料組織，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。FGAM通過將性能驅(qū)動(dòng)的功能直接嵌入材料中，實(shí)現(xiàn)了從外形建模到性能建模的根本性轉(zhuǎn)變。FGAM可以戰(zhàn)略性地控制復(fù)合材料的密度和孔隙率，或者可以將不同的材料組合在一起，形成無縫整體結(jié)構(gòu)。本文介紹了對(duì)FGAM概念的最新理解，涵蓋了能夠生產(chǎn)FGAM部件的現(xiàn)有技術(shù)的概述，并確定了當(dāng)前技術(shù)的局限性和挑戰(zhàn)。本文提出了克服這些障礙的可能策略，并對(duì)未來的設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)提出了建議。

1. 介紹和定義
功能梯度材料(fgf)是一類先進(jìn)的材料，其特征是在整個(gè)體量中組成的空間變化，有助于材料性能的相應(yīng)變化，符合功能要求。部件的多功能狀態(tài)是通過微結(jié)構(gòu)的材料配置來定制的，以滿足預(yù)期的性能要求。組織級(jí)配有助于材料性能之間的平穩(wěn)過渡。

(a)頂照光電探測(cè)器層結(jié)構(gòu)。調(diào)制摻雜產(chǎn)生的二維電子和空穴儲(chǔ)氣層被~110 nm的GaAs吸收光區(qū)隔開，并分別接觸。(b)器件中部沿生長(zhǎng)方向計(jì)算的能帶圖顯示存在較大的垂直電場(chǎng)，以及只能在二維空間內(nèi)移動(dòng)的致密電子和空穴氣體。

上圖顯示了金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)在半絕緣GaAs上生長(zhǎng)的晶圓的層結(jié)構(gòu)。在緩沖層生長(zhǎng)后，將Al0.3Ga0.7As在57 nm處進(jìn)行晶格匹配生長(zhǎng)，并在2.5×1012 cm−2處摻雜p型三角形碳。然后，AlGaAs的間隔層與窄帶隙In0.2Ga0.8As的8 nm層形成異質(zhì)結(jié)。帶偏移使受體摻雜物產(chǎn)生的空穴氣體在生長(zhǎng)方向上不運(yùn)動(dòng)，但載流子可以自由地在其他兩個(gè)維度上移動(dòng)，從而產(chǎn)生2DHG。A109.4-nm砷化鎵層上生長(zhǎng)InGaAs吸收光和激發(fā)產(chǎn)生的2 d水庫與運(yùn)營(yíng)商,后跟一個(gè)5-nm AlGaAs間隔和56.4 nm AlGaAs n型層與Si delta-doped 6×1012厘米−2摻雜劑密度,為了產(chǎn)生一個(gè)二維電子氣在這個(gè)界面。此外，為了進(jìn)行比較，我們制作了幾何相同的器件，包括單一的2DEG或2DHG層，未摻雜的常規(guī)結(jié)構(gòu)，沒有二維電荷儲(chǔ)層，以及15對(duì)GaAs/AlGaAs晶圓，它們形成了830 nm波長(zhǎng)的布拉格鏡，也生長(zhǎng)以產(chǎn)生共振腔增強(qiáng)(RCE)結(jié)構(gòu)

增材制造(AM)是一種固體自由制造技術(shù)，通過在設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)將材料精確放置在指定位置，可以直接制造出精細(xì)的定制組件。多年來，由于可制造性的提高，AM技術(shù)已經(jīng)從制造一次性原型擴(kuò)展到制造全尺寸的最終用途部件。如今的AM系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步使得FGM的使用成為可能，從而產(chǎn)生了“功能梯度增材制造”(FGM)這一術(shù)語，它是一種逐層制造技術(shù)，涉及到在一個(gè)組件中逐步改變材料組織，以滿足預(yù)期的功能。

FGAM是一種以材料為中心的制造過程，建立了從外形建模到性能建模的根本性轉(zhuǎn)變。隨著AM技術(shù)的發(fā)展，可以在復(fù)雜的三維分布中戰(zhàn)略性地控制材料沉積的密度和方向性，也可以通過改變沉積密度和方向性來將各種材料組合成無縫的整體結(jié)構(gòu)。FGAM可實(shí)現(xiàn)的潛在微觀結(jié)構(gòu)梯度成分可分為3種類型:(a)均勻成分內(nèi)的變致密化;(b)通過漸進(jìn)過渡同時(shí)結(jié)合兩種或多種材料而形成的異質(zhì)成分;以及(c)在異質(zhì)成分中使用可變致密化的組合。

1．1. 均質(zhì)成分
1.1.1 單一材料FGAM
均勻的FGAM成分通過體素方法有策略地調(diào)節(jié)空間微結(jié)構(gòu)或晶格結(jié)構(gòu)的形態(tài)，從而產(chǎn)生孔隙度或密度梯度。這種方法稱為變密度FGAM。在單片各向異性復(fù)合結(jié)構(gòu)中，材料物質(zhì)的方向性、大小和密度濃度會(huì)導(dǎo)致剛度和彈性等功能偏差(圖1)。

圖1 多種多樣的致密化FGAM。

FGAM可以是一種受生物啟發(fā)的快速制造，模仿在自然界中發(fā)現(xiàn)的材料結(jié)構(gòu)，如棕櫚樹的徑向密度梯度，骨的海綿狀小梁結(jié)構(gòu)或肌肉的組織變化。不同密度的FGAM可以通過調(diào)整晶格排列和改變支柱幾何形狀來保持結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但同時(shí)也減少了整體重量，從而實(shí)現(xiàn)輕量化結(jié)構(gòu)。這可以在圖2中舉例說明，其中使用改進(jìn)的3D打印機(jī)制作的3D打印混凝土，展示了棕櫚樹細(xì)胞結(jié)構(gòu)的徑向密度梯度概念。從堅(jiān)固的外部到多孔核心的逐漸過渡導(dǎo)致了優(yōu)異的強(qiáng)度與重量比，使混凝土更輕、更高效、更強(qiáng)。

圖2 通過基廷模擬棕櫚樹的徑向密度梯度變化致密化FGAM混凝土。

1.2 異構(gòu)的成分
1.2.1 多材料FGAM
FGAM通過一種動(dòng)態(tài)組合梯度或復(fù)雜形態(tài)的方法來解決多重材料方面的問題。階段的幾何和材料安排控制了FGAM組件的整體功能和性能。多材料FGAM尋求改善不同或不相容材料之間的界面結(jié)合(圖3b)。不同的邊界可以通過從分散到相互連接的第二相結(jié)構(gòu)的非均勻成分過渡、離散成分參數(shù)分層分級(jí)或光滑濃度梯度去除。這樣可以避免傳統(tǒng)的多材料增材制造過程中由于材料性能的離散變化而導(dǎo)致的常見故障，如分層、裂紋等(圖3a)。在臨界位置采用不同的膨脹系數(shù)可以大大降低材料的面內(nèi)應(yīng)力和橫向應(yīng)力，同時(shí)可以改善和提高材料的殘余應(yīng)力分布

圖3 傳統(tǒng)的多材料增材制造與多材料FGAM。

通過融合使用動(dòng)態(tài)梯度材料到另一個(gè)材料規(guī)整,打印組件可以有兩種材料的最優(yōu)屬性(圖4)。它可以過渡在體重,但其韌性,耐磨性,耐沖擊或其物理、化學(xué)或生物化學(xué)或機(jī)械性能。材料的非均質(zhì)混合物不再需要在其固有性質(zhì)上妥協(xié)，以實(shí)現(xiàn)理想的成分性質(zhì)。多材料FGAM還可以在小截面或預(yù)先確定的零件周圍的戰(zhàn)略位置上提供特定位置的性能。

圖4 傳統(tǒng)復(fù)合材料與FGAM復(fù)合材料的對(duì)比及結(jié)構(gòu)示意圖，以說明材料導(dǎo)熱系數(shù)(....)和彈性模量(-)的變化。

圖5展示了在Multi-material FGAM中，材料從一端的0%到另一端的100%之間的平滑無縫過渡。三維空間內(nèi)的連續(xù)變化可以通過控制兩種或更多材料在沉積和固化之前的混合比例來實(shí)現(xiàn)。然而，組成的變化必須由計(jì)算機(jī)程序控制。Vaezi也認(rèn)為，沉積或凝固前預(yù)混合或復(fù)合的原料不應(yīng)被視為多材料FGAM。

圖5 兩種材料之間具有連續(xù)梯度微結(jié)構(gòu)的多材料FGAM。

異質(zhì)成分梯度的設(shè)計(jì)可以分為4種類型:2種材料之間的過渡(圖6)、3種或以上材料之間的過渡(圖7)、不同位置之間的切換成分(圖8)或密度和成分梯度的組合(圖9)。

圖6 MM FGAM(2種材料)。

圖7 MM FGAM(3種材料)。

圖8 切換組合。

圖9 在非均勻材料中密度和成分級(jí)配的結(jié)合。

FGAM的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)包括梯度矢量的維數(shù)、幾何形狀和等勢(shì)面的重新劃分。組件的特征和功能進(jìn)一步由組成中的梯度方向決定。體積梯度的設(shè)計(jì)和類型可按圖10所示的1D、2D和3D進(jìn)行分類，并可將材料均勻分布或通過特殊圖案分布。

圖10 梯度分類的類型。

2. FGAM的設(shè)計(jì)與建模
FGAM的使用要求基于三聯(lián)“材料-產(chǎn)品-制造”方法對(duì)刀具路徑進(jìn)行良好的控制。FGAM的制造過程與AM工作流程相對(duì)類似，從使用CAD生成實(shí)體模型、切片、將CAD文件轉(zhuǎn)換為。STL或適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)交換文件格式，驗(yàn)證STL數(shù)據(jù)，確定最佳方向，支持生成，工具路徑定義，制造和后處理。然而，關(guān)鍵的區(qū)別在于，F(xiàn)GAM對(duì)材料屬性和設(shè)計(jì)組件中每個(gè)體素的行為的描述和分配具有更高的優(yōu)先級(jí)(圖11，表1)。

圖11 從設(shè)計(jì)到制造的FGAM工藝流程。

表1 FGAM的制造方法

3.材料描述的局限性
在幾何信息的基礎(chǔ)上表示材料對(duì)于單材料和多材料FGAM都具有重要意義。定義最佳材料分布函數(shù)需要廣泛的材料數(shù)據(jù)知識(shí)，包括化學(xué)成分、其特征和制造約束。AM的材料選擇仍然普遍受到限制。目前，對(duì)于材料相容性、性質(zhì)可變、非均勻材料的混合范圍沒有設(shè)計(jì)指導(dǎo)方針，缺乏空間選擇、梯度分布、過渡階段安排等最優(yōu)性質(zhì)分布框架。例如，梯度的設(shè)計(jì)和過渡階段的安排還沒有完全了解，只有很少的商業(yè)軟件存在，可以模擬梯度的設(shè)計(jì)，如Autodesk Monolith，這是一個(gè)基于體素的多材料3D打印建模引擎。因此，沒有材料科學(xué)背景的設(shè)計(jì)師或工程師很難充分利用FGAM的潛力。

在制備高強(qiáng)度或低強(qiáng)度的梯度材料時(shí)，必須仔細(xì)測(cè)量和量化微觀結(jié)構(gòu)的改變所帶來的材料性能的變化。T-Williams提出了兩種有用的方法，利用理想指數(shù)律和材料元素“Maxels”對(duì)功能梯度構(gòu)件的響應(yīng)進(jìn)行建模。分析的有限元方法(FEM)也可以用來顯示和建議在預(yù)先確定的情況下的一組優(yōu)化的元素，以提供更好的理解材料性能將如何表現(xiàn)(如ABAQUS)。理解FGAM產(chǎn)生的預(yù)測(cè)組件和實(shí)際組件之間的差異是至關(guān)重要的。由于不同材料在不同操作條件下相互作用的可變性，制造部件的化學(xué)成分及其材料特性的分布可能會(huì)偏離實(shí)際生產(chǎn)材料。例如，物理和技術(shù)因素，如凝固過程中溶質(zhì)的宏觀偏析和不良的過程控制，可以導(dǎo)致變化的公差和劣質(zhì)零件被生產(chǎn)。這可以通過在構(gòu)建過程中進(jìn)行原位監(jiān)控來減少。設(shè)計(jì)規(guī)則和方法，通過了解所需的性能混合，所需的相安排，和材料的兼容性，必須建立，以避免不良的結(jié)果。

“加工-結(jié)構(gòu)-性能”關(guān)系的知識(shí)可以通過共享數(shù)據(jù)庫材料性能信息目錄獲得。Bashayam建議，應(yīng)該建立包括材料組成、功能和應(yīng)用在內(nèi)的信息，以幫助設(shè)計(jì)師根據(jù)其設(shè)計(jì)中的拓?fù)浜蛶缀巫兓瘉磉x擇理想的材料組成。Comotti還建議將“功能-行為-結(jié)構(gòu)”FBS本體應(yīng)用到模型中，通過配方、合成、分析、評(píng)價(jià)、記錄和重新配方等8個(gè)基本步驟計(jì)算和預(yù)測(cè)功能分級(jí)構(gòu)件的行為(圖12)。

圖12 功能-行為-結(jié)構(gòu)(FBS)框架中的8個(gè)步驟，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算FGM組件的行為。

4. 當(dāng)前的FGAM軟件限制
計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中的現(xiàn)代信息技術(shù)取得了進(jìn)步，為3D模型提供了多種文件格式，以便與AM系統(tǒng)進(jìn)行通信。CAD中常見的4種幾何表示技術(shù)包括邊界表示（B-rep）、構(gòu)造實(shí)體幾何（CSG）、空間分解和函數(shù)表示（F-rep）�；�于B-rep和F-rep的方法表示三維形狀的幾何圖形，而不描述部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料信息，而并行表示（PR）包括基于空間分解的PR，基于構(gòu)造實(shí)體幾何（CSG）的PR和基于層次結(jié)構(gòu)的PR描述了幾何和材料。

FGAM需要一種新的計(jì)算建模方法，它包含自組織的概念。這就需要一種新的計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)分析方法，能夠指定、建模和管理材料信息，用于局部成分控制(LCC)。必須要有一種切割、分析和制備FGAM的新方法。新的AM軟件流程應(yīng)該能夠在FGAM模型生成過程中，以邏輯分布的方式戰(zhàn)略性地控制物質(zhì)的密度、方向性和分配。

Richards首先提出了一個(gè)計(jì)算方法使用CPPN(組成模式生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò))編碼和一個(gè)可擴(kuò)展的算法使用整潔(Neuroevolution增強(qiáng)拓?fù)?嵌入功能形態(tài)和宏觀性質(zhì)的物理特性使用多材料FGAM通過voxel-by-voxel描述的函數(shù)其笛卡爾坐標(biāo)(x,y,z)(圖13a和b)。

圖13 a:簡(jiǎn)單的漸變圖案，通過對(duì)每個(gè)像素的x和y坐標(biāo)求和生成顏色:C. b: CPPN生成的圖案。上面的公式顯示了用紅色邊框的體素的計(jì)算。(讀者可參考本文的網(wǎng)絡(luò)版，以解釋本圖例中有關(guān)顏色的參考資料。)

目前，將FGAM的體素模型從常見的幾何格式(即STL文件)轉(zhuǎn)換為體素模型需要大量的計(jì)算，并且很難實(shí)現(xiàn)具有高度細(xì)化細(xì)節(jié)的裁剪格。作為一種解決方案，Richard引入了另一種設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)，用體積紋理映射來表示材料-幾何-拓?fù)�。體素模型是通過算法生成的。因此，必要的修改可以手動(dòng)修改體素，然后編譯回紋理描述，以允許在不同的尺度上進(jìn)行更改。目前只有很少的軟件開發(fā)可以模擬梯度設(shè)計(jì)，如Autodesk Monolith、Stratasys GrabCAD Voxel Print，這是基于體素的建模引擎，支持多材料FGAM。盡管如此，關(guān)于定義宏觀性質(zhì)的估計(jì)，仍然會(huì)有很多的遭遇。

AM軟件過程的另一個(gè)重要元素是“切片”程序，它支持AM系統(tǒng)的參數(shù)化工具路徑和相關(guān)命令。需要新的方法來切片、分析和制備用于制造的FGAM組件。Steuben提出了一種基于生成工具路徑的切片算法，這些工具路徑來源于基于啟發(fā)式或基于物理的任意場(chǎng)。Hascoet建立了一套數(shù)學(xué)公式，用于切割四種可能的雙材料梯度類型。每個(gè)類型學(xué)類都有一個(gè)相關(guān)的面向零件策略，可以為FGAM實(shí)現(xiàn)。Wu提出使用具有幾何約束的材料重取樣(MRGC)，這為切割FGAM零件提供了另一種選擇。

5. 支持FGAM的潛在數(shù)據(jù)交換格式
大多數(shù)AM技術(shù)識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式通常是由多邊形網(wǎng)格表示的三角面模型。STL文件和OBJ文件格式只描述表面幾何形狀，沒有任何材料和屬性信息。此外，還有幾種數(shù)據(jù)交換格式——AMF (Additive Manufacturing Format)、FAV (FabricatableVoxel)、SVX (Simple Voxels)和3MF (3D Manufacturing Format)，它們可能適用于FGAM部件的生產(chǎn)。這些文件格式可以攜帶關(guān)于材料梯度和微觀尺度物理特性的信息，超出了固定的幾何描述。

5．1. AMF
ISO和ASTM已經(jīng)認(rèn)可了一種稱為增材制造格式(AMF, ISO/ASTM 52915:2016)的標(biāo)準(zhǔn)格式，這是一種基于xml的格式，能夠存儲(chǔ)組成物體的顏色、材料、晶格、副本和體簇。AMF文件格式可以通過SolidWorks, Inventor, Rhino和Mesh Mixer生成。AMF為FGAM提供了一個(gè)合適的平臺(tái)，包括材料規(guī)范、混合和分級(jí)材料和子結(jié)構(gòu);新材料可以定義為其他材料的組成及其孔隙率。在當(dāng)前的AMF 1.2規(guī)范中，F(xiàn)GAM特性可以通過三種不同的形式來定義:功能表示、3D紋理或體紋理和體素表示。AMF文件包含一個(gè)臨時(shí)體素節(jié)點(diǎn)，旨在支持基于體素的表示。雖然AMF 1.2標(biāo)準(zhǔn)中描述了所有三種表示，但每一種都可以被有效地切片或利用來支持多種功能分級(jí)制造模式。ISO/ASTM TC261/JG64委員會(huì)目前正在開展活動(dòng)，利用現(xiàn)有的AMF 1.2實(shí)體建模特性，并使其能夠用于進(jìn)一步的AMF格式修訂，包括但不限于FGAM。

5.2. FAV
FAV格式包含在三維空間中制造零件所需的數(shù)字信息，包括物體的外部和內(nèi)部，包括其顏色、材料和通過體素的連接強(qiáng)度。每個(gè)體素都可以用各種屬性值表示，包括顏色信息和材質(zhì)信息。通過控制每個(gè)獨(dú)立體素之間的關(guān)系，用戶可以自由建模并有效管理復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和屬性（圖14）。FAV文件格式允許用戶以集成方式無縫地設(shè)計(jì)（CAD）、分析（CAE）和檢查（CAT）3D模型數(shù)據(jù)，而無需轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。FAV數(shù)據(jù)格式允許將體素?cái)?shù)據(jù)用于物理模擬，例如外力引起的變形（圖15）。

圖14 使用FAV格式顯示3D表單中3種不同類型材料(ABS材料、類橡膠材料和材料1)的體素排列的概念圖。

圖15 FEF系統(tǒng)的靜態(tài)混合器和三重?cái)D出機(jī)原理圖。

5.3 SVX
SVX (Simple Voxels)是一種體素傳輸格式，用于攜帶基于體素的3D打印模型。SVX的基本格式是由一系列圖像切片和manifest.xml文件組成的ZIP文件。Shapeways設(shè)計(jì)的SVX優(yōu)先考慮了簡(jiǎn)單定義、易于實(shí)現(xiàn)和文件可擴(kuò)展性的需求。其目標(biāo)是轉(zhuǎn)換體素，如STL文件中的三角形，但仍然能夠包含材料分配、密度、RGB顏色或可用于其他變量的定制數(shù)據(jù)的信息。

5.4 MF
3D制造格式(3MF)是由3MFconsortium開發(fā)的一種基于xml的開放格式，可以用具有更豐富的外部和內(nèi)部信息的標(biāo)記格式來表示物理對(duì)象的描述，旨在為多AM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)交叉兼容。雖然它的推動(dòng)是為了主流行業(yè)采用，3MF不支持固體建模(高階表示)，如B-Rep, NURBS和STEP。

6. FGAM的AM技術(shù)
目前，并不是所有的AM技術(shù)都能夠使用fgm。表2所示的當(dāng)前AM方法已經(jīng)成功地生產(chǎn)了FGAM組件。它們包括材料擠壓、直接能量沉積、粉末床融合、薄板層壓和PolyJet技術(shù)。

表2 參考ISO/ ASTM，支持FGM的增材制造技術(shù)及其分類。

6．1. 材料擠壓

熔融沉積建模(FDM)系統(tǒng)能夠有多個(gè)擠出機(jī)，每個(gè)攜帶一個(gè)材料的膏體。隨后，不同的材料被送到靜態(tài)混合器，制成均勻的糊狀物。

各層狀材料的沉積方向和絲間間隙大小是控制材料力學(xué)性能的主要制造參數(shù)。Li制作了兩個(gè)形狀相同的FDM模型(圖16a和b)，但不同的沉積密度、取向、ABS纖維和空隙之間的粘接，以展示沿水平軸的剛度差異。

圖16 單向沉積。b:各部分采用多向沉積策略。

Srivastava研究了FDM中影響功能梯度ABS零件性能的過程控制參數(shù)，包括光柵寬度、輪廓寬度、氣隙和光柵角。該框架可用于不同負(fù)載條件下功能梯度FDM組件的建模和仿真。

6.2 粉床融合
使用粉末床融合方法，如選擇性激光燒結(jié)(SLS)，如果使用正確的粉末輸送方法，可以生產(chǎn)具有空間變化的機(jī)械性能的復(fù)雜部件。Chung和Das利用SLS制備了不同體積分?jǐn)?shù)(0-30%)的尼龍-11復(fù)合材料功能梯度聚合物納米復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，如圖17所示。采用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)方法確定了不同組分的SLS工藝參數(shù)，該方法是一種確定工藝影響因素與該工藝輸出之間關(guān)系的系統(tǒng)方法。通過光學(xué)顯微鏡和透射電鏡觀察了納米復(fù)合材料的密度和微觀結(jié)構(gòu)。然后測(cè)試了各組分的拉伸和壓縮性能。這些性質(zhì)隨填料體積分?jǐn)?shù)呈非線性變化。Trainia和Sudarmadji的實(shí)驗(yàn)工作也證明了SLS技術(shù)的有效應(yīng)用，能夠生產(chǎn)Ti-6Al-4V合金植入物和支架，其孔隙度與人體骨骼結(jié)構(gòu)非常匹配。

圖17 合規(guī)夾持器，每層7.62 毫米

Zhou等人開發(fā)了一種基于立體光刻(MIP -SL)的掩模圖像投影系統(tǒng)，以克服單一還原SLA技術(shù)的缺點(diǎn)(圖18)。通過安裝可切換的樹脂桶和微鏡裝置(DMD)，將掩模圖像投射到樹脂表面，從而系統(tǒng)地構(gòu)建多材料組件，從而能夠通過單一的構(gòu)建過程使用不同的材料。

圖18 基于自底向上投影的立體光刻(MIP - SL)掩模圖像投影系統(tǒng)。

選擇性激光熔化(SLM)是一種很有潛力的制備功能梯度金屬構(gòu)件的技術(shù)。使用多個(gè)饋線可以實(shí)現(xiàn)異質(zhì)金屬組合。Mumtaz 等利用高功率激光器制備了混合Waspaloy和氧化鋯材料的FGM組件。SLM的一個(gè)特殊優(yōu)勢(shì)是它能夠制造包含周期晶格的組件。Maskery研究了均勻梯度密度的Al-Si10-Mg晶格的幾何形狀與機(jī)械行為之間的關(guān)系，以及準(zhǔn)靜態(tài)載荷下FGM的破碎行為。在此基礎(chǔ)上，建立了利用SLM制造輕量化梯度晶格結(jié)構(gòu)的熱處理框架。

FraunhoferIGCV也提出了原型級(jí)別連續(xù)分配和凝固兩種材料在一個(gè)組件的使用多材料FGAM Copper-Chrome-Zirconia和工具鋼的一部分被固化材料實(shí)現(xiàn)原位spot-wise沒有混合前的材料過程(圖19)。

圖19 由Anstaett公司生產(chǎn)的銅-鉻-氧化鋯和工具鋼1.2790的多材料FGAM部件采用激光基粉床融合(注:1.2709是嵌入到CuCr1-Zr錐狀)。

最后，利用EBM可以制備出具有良好機(jī)械性能的FGM零件。根據(jù)Gibson的說法，由于使用了升高的建造溫度，ebm制造的零件具有較低的殘余應(yīng)力。該理論在Tan對(duì)電子束熔體Ti-6Al-4V鈦合金建立厚度相關(guān)顯微組織的模擬研究中得到了驗(yàn)證。

6.3 定向能量沉積
激光金屬沉積工藝(LMD)是一種重要的直接金屬沉積技術(shù)，常用于產(chǎn)品再制造中。定向能量沉積(DED)技術(shù)能夠從一個(gè)3D CAD模型中修改、修復(fù)、加固部件或向現(xiàn)有的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)添加材料，這是其他AM技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的�；�于激光的DED可用于制造具有成分梯度的金屬零件，方法是根據(jù)“位置函數(shù)”來調(diào)整輸送到熔池中的金屬粉末的體積。例如，Carroll[2016]成功地采用了一種熱力學(xué)計(jì)算建模方法，通過RPM 557激光沉積系統(tǒng)使用DED技術(shù)，在由304 L不銹鋼逐步升級(jí)到Inconel 625的氬氣氣氛下生產(chǎn)FGM。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)允許多達(dá)四種粉末添加到制造過程中，每個(gè)粉末的體積分?jǐn)?shù)可以改變約1%的沉積層。圖20所示的分級(jí)組合通過大約0.5 mm高的63層，由910 W YAG激光器建立，艙口角為60°。

圖20 梯度合金試樣示意圖和照片。虛線顯示了為分析而切片的位置。

6.4 表紋理
Kumar成功地利用不銹鋼、鋁和銅箔，通過超聲固結(jié)(UC)實(shí)現(xiàn)了金屬FGM的新發(fā)展，如圖21所示。金屬箔通過超聲波焊接連接，使用UC機(jī)器，以20 kHz的頻率機(jī)械振動(dòng)焊接頭(聲納極)。

圖21 (左):超聲固結(jié)法制備的銅箔(CU)、不銹鋼(SS)和鋁(Al1100和3003)梯度層金屬FGM。(右):FGM試樣的金相圖。

6.5. 物料噴射
在所有AM技術(shù)中，PolyJet可以將最廣泛的顏色和材料合并到一個(gè)單一的印刷品中。像剛性結(jié)構(gòu)的柔性過模塑這樣的應(yīng)用可以很容易地在一張紙上實(shí)現(xiàn)。例如，橡膠類零件的肖氏硬度可以在27到95之間。通過其廣泛的數(shù)字材料庫，功能梯度復(fù)合材料零件可以具有多達(dá)82種不同的材料特性。具有獨(dú)特性能的特殊材料也可用于特殊應(yīng)用，如醫(yī)療和牙科應(yīng)用的生物相容性。所有可能的組合都是在Objet Studio和PolyJet Studio軟件中預(yù)先配置和選擇的。根據(jù)圖22，通過將半透明橡膠狀材料Tango Plus與兩種剛性不透明材料Vero magenta和Vero yellow合并，可以實(shí)現(xiàn)黃色到品紅的顏色梯度。當(dāng)顏色的強(qiáng)度和不透明度減弱時(shí)，分級(jí)強(qiáng)度增加。

圖22 Stratasys展示的口感色調(diào)

6.6 當(dāng)前AM技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)
AM組件仍然容易出現(xiàn)較高的內(nèi)部和外部缺陷，以及對(duì)公差的控制較差。由于監(jiān)管有限，且對(duì)操作變量的理解薄弱，零件質(zhì)量和表面光潔度標(biāo)準(zhǔn)在批次或機(jī)器類型之間可能存在很大差異。制造具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的FGAM零件，并在微觀結(jié)構(gòu)水平上精確分布組成相，意味著FGAM必須提高層間交換材料的交付速度、精度和有效性。商業(yè)上可用的AM技術(shù)仍然主要在各向同性材料上運(yùn)行，側(cè)重于基本的幾何描述，并指定單個(gè)材料來構(gòu)建整個(gè)組件。對(duì)于需要高水平現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的FGAM工藝而言，材料表征是最重要的挑戰(zhàn)。雖然已經(jīng)建立了一個(gè)模型框架來演示可變屬性梯度打印的方法，但仍然需要研究能夠保證更可靠和可預(yù)測(cè)結(jié)果的程序和協(xié)議，特別是處理整個(gè)結(jié)構(gòu)中具有組成相和過渡性質(zhì)的材料的分布，以及以經(jīng)濟(jì)方式支持FGAM的材料選擇、平臺(tái)結(jié)構(gòu)和制造速度的考慮。為了轉(zhuǎn)移到功能性FGAM零件，必須開發(fā)一種新型材料輸送系統(tǒng)。

7. 結(jié)論
本文介紹了FGAM的概念理解和從設(shè)計(jì)到制造的過程。FGAM技術(shù)為設(shè)計(jì)師和工程師提供了巨大的潛力，通過戰(zhàn)略性地控制物質(zhì)的密度和材料的混合來制造可變性質(zhì)的結(jié)構(gòu)。隨著這一技術(shù)的成熟和應(yīng)用的增加，未來的工作將集中于調(diào)整聚集物、發(fā)泡劑的比例，或使用FGAM對(duì)支架和生物墨水進(jìn)行生物打印。FGAM的另一個(gè)可預(yù)見的根本性變化是使用多種刺激響應(yīng)材料，在這種材料中，當(dāng)受到適當(dāng)?shù)拇碳び|發(fā)時(shí)，制造出來的組件可以經(jīng)歷從一種形狀到另一種形狀的幾何轉(zhuǎn)換。FGAM可以定制4D打印組件的微觀結(jié)構(gòu)特性，通過戰(zhàn)略性地控制刺激響應(yīng)材料的密度和方向性，創(chuàng)建更復(fù)雜的幾何變換。它還可以改善異質(zhì)智能組合物的層壓，甚至不考慮材料的活性或非活性特性。盡管FGAM在未來生產(chǎn)中的潛力是無限的，但我們卻因缺乏全面的“材料-產(chǎn)品-制造”原則、指南和最佳FGAM實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)而受到限制。尚未建立適當(dāng)?shù)姆椒�，以便在商業(yè)或經(jīng)濟(jì)規(guī)模上充分發(fā)揮和開發(fā)FGAM的真正潛力。整個(gè)數(shù)字鏈的各個(gè)部門都需要采取一種全球性的方法來解決相關(guān)的基本問題，以鼓勵(lì)FGAM的主流使用。

來源：An overview of functionally graded additive manufacturing，AdditiveManufacturing，doi.org/10.1016/j.addma.2018.06.023
參考文獻(xiàn)：N. Oxman, S. Keating, E. Tsai，F(xiàn)unctionally GradedRapid Prototyping，Mediated Matter Group, MIT Media Lab (2011)