多材料結(jié)構(gòu)的增材制造（2）

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導讀：本綜述旨在重點介紹3D打印聚合物基，金屬金屬和金屬陶瓷應用的范圍，同時討論增材制造多材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。本文為第二部分。

３．２．纖維增強聚合物復合材料
與僅由聚合物制成的復合材料不同，纖維增強聚合物復合材料(FRPC)因其重量輕、強度高而備受關(guān)注。AM現(xiàn)在正被用于使用傳統(tǒng)聚合物AM工藝[44]來制造FRPC。纖維增強復合材料由排列和分散在聚合物基體中的小纖維組成。它們通常是由層壓板以不同的方向相互疊加而成，這被證明是一種通過傳統(tǒng)復合材料疊合技術(shù)制造出堅固、輕量化零件的有效方法。

Impossible Objects公司創(chuàng)建了一個類似的系統(tǒng)，通過一種稱為基于復合材料的增材制造(CBAM)的工藝，增材制造碳纖維復合材料結(jié)構(gòu)，從螺釘?shù)揭硇�。與傳統(tǒng)的復合材料鋪層技術(shù)相比，這些結(jié)構(gòu)顯示了該工藝提供的復雜能力，傳統(tǒng)的復合材料鋪層技術(shù)限制了復雜的設(shè)計。該公司還開發(fā)了一種3D打印機，通過紫外輻射固化和沉積納米纖維墊，將基于噴墨的聚合物3D打印技術(shù)集成在一起。噴墨沉積一層光固化油墨,它是隨后治愈使用紫外線輻射,加熱,然后在聚合物纖維墊。纖維墊的形狀,印在墊子上,這個過程持續(xù)分層技術(shù)直到部分完成。每一層可使用不同的纖維，最后部分的性能可根據(jù)纖維的類型和布放的方向來設(shè)計。

金屬調(diào)幅的三個最顯著的缺點是基礎(chǔ)設(shè)施成本高，交貨周期長，以及缺乏標準。這些限制抑制了AM在大規(guī)模生產(chǎn)部件或需要精確機械性能的部件上的使用。大型金屬AM機器是昂貴的是粉末原料，建造時間是非常緩慢的，AM零件需要精加工，除非最終部分是復雜的，從一個鋼坯加工是更快的。然而，在某些情況下，AM對于生產(chǎn)部件和原型設(shè)計都是可行的技術(shù)。例如，由鈦制成的復雜部件(如細胞結(jié)構(gòu)或其他具有低相對密度的幾何形狀)是DMLS的優(yōu)秀候選材料。鈦是硬的，很難加工，特別是在一個復雜的部分，只有一小部分的原始鋼坯殘留。在這些零件中，DMLS可以滿足前面列出的五種驅(qū)動，因此具有比傳統(tǒng)加工更有競爭力的利基應用。

(a)如何通過常規(guī)加工(去除材料)和AM(添加材料)實現(xiàn)兩個相同零件的原理圖。(b, c)帶有小撓度的鈦鏡支架，用于固定鏡子。這個零件是用鋼坯加工而成的。(d)在RPM Innovations使用LD將一塊Ti沉積在Ti襯底上。(e, f)從(d)的零件加工出與(b, c)相同的彎曲度，表明增材工藝比傳統(tǒng)工藝需要的加工少得多。

上圖演示了這樣一個例子，其中一個AM應用程序可以應用到硬件上。光學支架是用來固定鏡子的金屬支架，通常比較復雜，需要精密的彎曲來抓取和傾斜鏡子。圖(b)和圖(c)中所示的鏡面支架是由一個大的鈦坯料制成的。坯料的原始尺寸超過了小撓曲的高度，這表明在制造過程中，Ti的去除量遠遠超過50%。圖(a)中的原理圖顯示，對于這樣的零件，通過在鈦基板上只沉積彎曲所需的材料，在添加工藝中構(gòu)建彎曲可能是經(jīng)濟有效的。圖(d)顯示了Ti-6Al-4V (Ti-6-4)塊，其中Ti-6-4柱是用LD沉積的。然后將ti塊按常規(guī)加工成鏡面彎曲，如圖(e)和(f)所示，使用與制造硬件相同的常規(guī)加工，如圖(b)所示。這表明，當戰(zhàn)略性地應用AM工藝時，它是有效的，就像需要去除50%以上的坯料來制造的零件一樣。

FRPC的調(diào)幅加工技術(shù)是從席地沉積技術(shù)發(fā)展出來的，它將碳纖維與聚合物長絲結(jié)合在一起，這正在緩慢地推動傳統(tǒng)聚合物調(diào)幅技術(shù)在某些應用中進入原型階段。其中一個應用是由橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)生產(chǎn)的一輛3D打印汽車，在那里，一種聚合物復合材料被用于制造一輛1965年的謝爾比眼鏡蛇(Shelby Cobra)的車身，這是一個前所未有的壯舉。表3列出了基于聚合物的多材料結(jié)構(gòu)及其各自特性變化的其他具體例子。

表3 MM-AM組合的例子及其各自的屬性。

4. 金屬和合金的MM-AM

AM的設(shè)計能力與金屬和合金的機械性能相結(jié)合，在設(shè)計師和高性能的最終部件之間建立了無與倫比的聯(lián)系。最常見的金屬AM工藝是直接金屬激光熔化/熔化(DMLM/DMLF)，電子束熔化(EBM)，激光工程網(wǎng)整形(LENS)，直接激光/能量/金屬沉積(DLD/DED/DMD)，激光基金屬絲沉積(LMWD)，電子束自由成形(EBF)(或電子束增材制造(EBAM))�；旌显霾闹圃�(HAM)工藝也正在研究金屬增材制造，以結(jié)合增材制造和減法制造。通過這些共同的過程，來自激光或電子束熱源的高能輸入可以提供足夠的熱激活能量，形成獨特的微觀結(jié)構(gòu)和相，這是通過平衡冷卻無法實現(xiàn)的。而且，通過精密的熱管理系統(tǒng)，可以為特定的應用定制梯度微結(jié)構(gòu)和相。圖6突出了通過AM實踐創(chuàng)建的一些金屬基多材料結(jié)構(gòu)的獨特的微觀結(jié)構(gòu)和相。

圖6 (b) MM-AM設(shè)計，(c,d) Ti3Ni2Si增強復合材料的基體-沉積界面金屬間化合物形成，(e) IN718上的銅合金，(f) SS316 + BN復合材料涂層的基體-沉積界面樹枝狀生長，(c,d) Ti3Ni2Si增強復合材料的基體-沉積界面金屬間化合物形成。(g) Ti6Al4V + 增加CoCrMo[58]的數(shù)量，(h) TiN增強Ti6Al4V中TiN形成周圍的反應層。

雖然有許多系統(tǒng)能夠增材制造金屬，但由于各種機器特定的限制，這些技術(shù)大多局限于單一的材料AM。例如，金屬粉末床熔接工藝雖然可靠，在學術(shù)界和工業(yè)界都被廣泛接受，但由于工藝的特點，無法簡單地完成多種材料的加工，因此只限于單一材料的使用。粉床熔合等工藝無法實現(xiàn)多材料加工的問題不在此討論;相反，下面將討論對MM-AM最有希望的一些多材料加工工藝以及一些創(chuàng)新的例子。表3列出了金屬多材料結(jié)構(gòu)及其各自性質(zhì)變化的其他具體例子。

4．1. 線饋電直接沉積

EBF和LMWD是在一束電子束或激光的作用下，將所需材料的金屬絲在基板上沿著設(shè)計路徑熔化和固化的過程。然后，以一層一層的方式制作零件，直到制作出一個完整的零件(圖7中顯示了一些由這個過程創(chuàng)建的大型結(jié)構(gòu)的例子)。盡管制造最后一個零件的基本原理類似于成熟的聚合物FDM工藝，饋線直接沉積是獨特的，因為饋線在梁下可以很容易地改變過程中，以制造多材料零件。此外，對零件設(shè)計的唯一限制是饋線器的數(shù)量，以及材料是否可以饋線形式。要做成線狀，材料必須具有延展性，以承受必要的力，使材料的直徑減小到更細。由于這可能是先進材料結(jié)構(gòu)的一個限制因素，因此在線材原料中，可以選擇大量的原材料，包括鈦、鉻鎳鐵合金、鋁、鎳、鎳銅、鈷、鉭，甚至鈮以及它們各自的合金。

圖7 各種線饋電直接沉積結(jié)構(gòu)和復合材料組織的圖像。

從這種選擇中，可以通過組合不同的金屬絲，甚至通過將金屬絲與來自單獨饋電的金屬粉末在一次構(gòu)建過程中結(jié)合，用大量不同的材料制成成分級配部件。鈦合金Ti6Al4V被沉積為不同厚度的管狀和方形截面，以創(chuàng)建大型、光滑的單材料組件(圖7a-c)。圖7d和e給出了通過直接送絲生產(chǎn)的其他單材料散裝零件以及工藝示意圖。在制造過程中，當另一種材料被引入系統(tǒng)時，斷面分析和顯微組織觀察是理解逐層熔化過程中其發(fā)展的必要條件。圖7f - i為線饋電復合材料中獲得的一些顯微組織，其中圖7f,g為線饋電方式沉積Ti6Al4V時，連續(xù)加入碳化鎢粉末所引起的顯微組織變化。這種絲/粉復合流動導致WC、W2C和TiC強化相形成，使復合層的顯微硬度從320 HV0.2提高到500 HV0.2。雖然添加的粉末是陶瓷的，但可以在同一意義上添加多種金屬粉末，形成金屬-金屬復合材料。

除了從線材饋電過程中獲得的機械優(yōu)勢，如增加硬度，該技術(shù)還有一個明顯的加工優(yōu)勢:沉積速度。據(jù)報道，EBF工藝的沉積速率高達330 g/min，與定向光制造(DLF)和線材和電弧增材制造(WAAM)的沉積速率10和12 g/min相比有很大差異。然而，隨著這種快速沉積，高表面粗糙度和低尺寸精度成為一個問題。為了制造復雜的金屬結(jié)構(gòu)，要求具有較高的尺寸精度和較低的表面粗糙度�？赡軐崿F(xiàn)這一精度的最簡單的方法是通過減少用于制造的材料的尺寸，因為激光用于像LMWD這樣的過程已經(jīng)有了一個小的光斑尺寸的能力，這增加了幾何能力，即尺寸精度。將材料從線狀縮減為粉末狀是實現(xiàn)這一目標的最簡單方法，因為填充密度增加，而按比例縮小的材料通常相當于按比例縮小的分辨率。粉末基直接沉積技術(shù)最適合制造復雜金屬結(jié)構(gòu)所需的兩種要求，其尺寸精度約為25-130 μm，表面粗糙度為1-2 μm。與線材直接沉積相比，部分由于這種能力，粉末基直接沉積在創(chuàng)新方面取得了長足進步。

4．2． Powder-based直接沉積

LENS、DLD和DMD是一種直接沉積方法，可以制造多種材料，如送絲，它們使用粉末金屬代替金屬絲作為大塊加工材料。這些過程是通過在激光的焦點下流動金屬粉末，并以可控的速度在基材上熔化和固化來實現(xiàn)的。然后，通過將基板或沉積頭按適合每一層的路徑移動，一層一層地沉積材料來構(gòu)建形狀。這種方法允許MM-AM通過動態(tài)改變粉末沉積在特定時間的構(gòu)建。與多個粉末料斗(在處理過程中，機器中存儲散裝粉末的外殼)應用多種材料，可以像關(guān)閉一個料斗和另一個在觸摸按鈕一樣容易。圖4a-c顯示了基于粉末的直接沉積過程通常是如何工作的，以及它們?nèi)绾卧谥圃爝^程中改變材料以創(chuàng)建多層材料的層狀結(jié)構(gòu)。不僅可以在制備過程中隨時改變沉積的粉末，而且可以將不同的粉末預混合并沉積在一條流中。這使得從一種材料到另一種材料的梯度變化成為可能，在用戶可定義的位置創(chuàng)建復合結(jié)構(gòu)，在特定的功能是需要的。

然而，最重要的質(zhì)量限制是存放的材料是否與先前存放的材料相結(jié)合。這是大多數(shù)增材制造工藝的固有問題，有時需要對材料進行修改，例如聚合物AM需要在熱塑性塑料中添加增粘劑，以幫助連接連續(xù)的兩層材料。由于多種材料在熔煉和凝固過程中會發(fā)生復雜的相互作用，不同材料之間的熱力學演化會導致材料特性的不同。熱膨脹系數(shù)、激光吸收率、熔化溫度和熱導率的不匹配只是某些特性，有時會抑制多種材料的結(jié)合。金屬粉末表現(xiàn)出幾乎是層狀的流體流動行為(類似于細砂)，而不是隨機破碎和劈裂(類似于烘焙面粉)，這在很大程度上也影響了沉積過程中保持恒定和預期的粉末流動速率的構(gòu)建質(zhì)量。

目前，人們正對這些局限性進行廣泛的研究，以克服粘接問題，并使用堅固的材料-材料界面構(gòu)建部件，本文稍后將討論一些替代技術(shù)。公司已經(jīng)克服了其中的一些問題，并開始利用這些工藝進行多材料部件的商業(yè)化開發(fā)。例如，DMG MORI制造了一種將直接激光沉積與五軸超聲研磨相結(jié)合的機器。這臺機器可以制造非常復雜的零件，并通過制造由鋼、鉻鎳鐵合金和碳化鎢組成的鉆頭來制造兼容的多材料零件。另一個例子是LENS工藝創(chuàng)建的不銹鋼管直接從316L過渡到430L，有效地從非磁性材料過渡到磁性材料。

與傳統(tǒng)焊接工藝相比，LENS工藝創(chuàng)造了這種完全沒有焊縫或大的熱影響區(qū)，具有平滑過渡的連續(xù)結(jié)構(gòu)(圖4j)。顯微組織表明，沉積層界面處晶粒生長方向優(yōu)先。整個截面的顯微硬度值表現(xiàn)為從SS430區(qū)最高的266±4 HV到SS316區(qū)最低的174±3 HV的平穩(wěn)過渡。在雙金屬結(jié)構(gòu)的SS430側(cè)觀察到磁性功能。通過粉末直接沉積的AM具有強大的能力，有效和準確地將多種材料合并到一個單一的組件，這使得這一過程在制造領(lǐng)域越來越令人興奮。

4.3 混合增材制造(HAM)

數(shù)控加工是一種將節(jié)省成本的加法加工與減法數(shù)控加工的尺寸精度相結(jié)合的加工方法。當一個金屬部件通過直接能量沉積法進行加成加工時，HAM允許在同一系統(tǒng)中沉積后立即對該部件進行加工。這與傳統(tǒng)的數(shù)控技術(shù)的步驟有很大的不同，在傳統(tǒng)的數(shù)控技術(shù)中，一個單一的材料塊被放置在數(shù)控機床上，并經(jīng)過大量的減法過程來創(chuàng)建最后的部分。在銑削過程中，多余的材料產(chǎn)生了大量的材料浪費，這直接轉(zhuǎn)化為制造成本和環(huán)境影響。然而，在HAM中，最初的塊材料不再存在，因為操作人員是通過直接沉積的方式將零件建立在接近凈形狀的位置，只需要在必要的地方進行表面處理，并產(chǎn)生很少的材料浪費。這個過程的示意圖如圖8所示。此外，由于添加部分是通過直接的能量沉積過程，多材料的能力是存在的。利用數(shù)控加工的減法能力，在將第二種材料沉積到均勻的表面之前，可以降低表面粗糙度，這對于制造密集的、可重復的層非常重要，特別是用于修復和涂層目的。

圖8 圖(上)顯示了在制造過程中，HAM與傳統(tǒng)加工方式的對比，以減少材料浪費，以及一些由DMG MORI(左下)和Optomec(右下)生產(chǎn)的HAM零件和系統(tǒng)的實際實例。

此外，在沉積后，用戶可以直接精確地控制設(shè)計幾何形狀的表面。如圖8所示，DMG MORI的Lasertec 65等系統(tǒng)可以通過5軸材料沉積，然后在同一系統(tǒng)內(nèi)進行精確的5軸銑削，生成系統(tǒng)就緒的組件。Optomec公司也具有這種能力，其模塊化設(shè)計可以將數(shù)控銑床、車床、機器人等集成到一個系統(tǒng)中，在制造過程中提供難以置信的運動控制和精度。

由Optomec創(chuàng)建的混合AM部件也可以在圖8中看到，其中CNC銑削控制在部件的各個區(qū)域，而其他復雜的形狀保持在沉積狀態(tài)。這種制造業(yè)的發(fā)展與傳統(tǒng)的加工AM零件有很大的不同，后者需要送到單獨的數(shù)控機床進行最后的精加工。在HAM中，多種制造方法被組合成一個過程，在保持固定零件位置的同時，可以輕松地從增材到減材。

HAM也以另一種方式起作用;在添加材料之前可以進行減法處理，使部件易于修復。通過將磨損部件放入HAM系統(tǒng)中，然后對受損區(qū)域進行預處理和構(gòu)建，使其恢復到原始狀態(tài)，HAM在結(jié)構(gòu)、汽車、航空航天等領(lǐng)域開辟了廣泛的材料節(jié)約機會。這允許在現(xiàn)有和新創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)區(qū)域制造精確的表面特性，同時大大降低制造成本和材料浪費。

然而，從設(shè)計到最終的過程有其局限性。設(shè)計中的不均勻橫截面導致數(shù)控加工操作受到懸挑結(jié)構(gòu)、更換刀具所需時間、大量的設(shè)計前期考慮以及缺乏冷卻劑等因素的限制，使得該過程有時難以實現(xiàn)高效生產(chǎn)。

一旦在未來的研究中解決了這些限制，諸如航空航天、汽車、醫(yī)療和國防等目前使用金屬AM的行業(yè)將受益于HAM，因為它可以減少材料浪費并縮短周轉(zhuǎn)時間。高效的部件維修也將對這些行業(yè)產(chǎn)生吸引力，以限制大量的維修/更換成本。HAM在使AM過程更高效方面具有巨大潛力，未來的研究需要解決這一過程的缺點。

4.4 梯度金屬結(jié)構(gòu)的MM-AM

DLD、DMD和LENS制作梯度結(jié)構(gòu)的能力有很多優(yōu)勢。例如，當兩種不同的材料相互粘接時，由于前面描述的性能不匹配，在界面處失敗的幾率通常更高。由于粘結(jié)問題是由于材料性能的巨大不匹配而引起的，解決這些問題的第一步就是減少不匹配的程度。如果材料性能存在梯度變化，則材料失配失效的可能性將會降低。

在不改變材料組成的情況下實現(xiàn)這一目標的一種方法是，使用復合層作為兩種純材料之間的一種“粘結(jié)”層，而不是直接過渡。人們對制作梯度材料的設(shè)計方法進行了研究。梯度材料是一種具有不同材料域的梯度材料。新提出的方法是基于離散的，從連續(xù)的材料變化到逐步變化。一個簡單的例子可以直接過渡到一個復合材料一個區(qū)域的50%和50% B,然后直接過渡到女性生殖器切割的材料B .幾個例子as-deposited狀態(tài)以及原理圖的設(shè)計層次中可以看到圖4 d。

可以設(shè)計具有梯度材料特性的零件，并可以通過改變粉末輸入來制作零件。通過這樣做，材料的性能可以通過利用材料的不斷變化的材料/機械性能來設(shè)計。例如，在150° C時，Ni-Cr零件的設(shè)計負熱膨脹系數(shù)(CTE)為dL/L = −0.00065。理想情況下，這一過程可以用于制造壓電結(jié)構(gòu)，具有負泊松比，或制造具有負熱膨脹的延性金屬。

成分級配也增加了部分的整體性能和完整性，因為弱化接縫的焊縫應力集中大大減少。在一個案例中,有限元素分析表明,梯度過渡從不銹鋼304 l到625年鉻鎳鐵合金在汽車閥桿少大約10倍在過渡區(qū)應力集中而摩擦stir-welded聯(lián)合在操作溫度下相同的材料(圖4 h)。另一個FGM的例子是，在高溫航空航天應用中，透鏡沉積的鉻鎳鐵合金向銅合金過渡，以增加導熱行為(圖4i)。一旦材料性能的不匹配可以通過改變工藝參數(shù)來解決，就可以設(shè)計出用傳統(tǒng)方法難以制造的結(jié)構(gòu)。成分級配方法表現(xiàn)為界面處Inconel 718和GRCop-84元素逐漸轉(zhuǎn)變，界面處呈柱狀晶結(jié)構(gòu)，Cr2Nb析出相沿晶界和基體-沉積界面聚集。在50° C至300° C的溫度范圍內(nèi)，測量平均熱擴散率為11.33 mm2/s;在3.20 mm2/s時，擴散率比純Inconel 718合金提高了250%。與Inconel 718相比，雙金屬結(jié)構(gòu)的電導率提高了近300%。

增材制造的多孔結(jié)構(gòu)，雖然看起來不太直觀，但可以歸類為多材料結(jié)構(gòu)，用一種設(shè)計方式制造的單一材料，空氣可以作為內(nèi)部和外部孔隙的第二種材料。這些結(jié)構(gòu)與人們通常想象的MM-AM密集結(jié)構(gòu)有很大的不同。這種設(shè)計的孔隙率通過弱化結(jié)構(gòu)和增加表面粗糙度，對材料的性能有顯著的影響。

這一想法是工程多孔金屬種植體用于生物醫(yī)學應用的基礎(chǔ)，因為種植體與組織間的不良相互作用和患者體內(nèi)種植體與骨強度的高比值是承重種植體的兩個主要關(guān)注點。由于表面能的變化和表面面積的不足，種植體與組織之間的相互作用在很大程度上取決于種植體的表面粗糙度，這可能會導致種植體與宿主組織之間形成強界面的問題。通過外部和互聯(lián)的孔隙度增加表面粗糙度，從而通過增加表面積和允許機械連鎖來創(chuàng)造更持久的種植體，從而改善種植體與組織之間的相互作用。

使用空氣作為這些生物醫(yī)學設(shè)備的第二材料也降低了植入物與骨的強度比到更合適的水平。這對于減少被稱為應力屏蔽的現(xiàn)象很重要，這種現(xiàn)象發(fā)生在植入物比周圍的骨骼更強，吸收比骨骼更多的負荷，最終削弱骨骼并在周圍的骨骼中形成骨質(zhì)疏松區(qū)。隨著種植體周圍的骨頭磨損，種植體松動的幾率大大增加，通常需要進行翻修手術(shù)以減輕疼痛并更換種植體。在植入物中引入空氣作為第二種材料，減少了強度的不匹配，同時增加了組織生長到材料中的可能途徑的數(shù)量。

與單純致密的CoCrMo涂層相比，通過MM-AM制備多孔鈷鉻鉬(CoCrMo)髖關(guān)節(jié)假體已被證明可以減少應力屏蔽，同時提高假體的生物相容性。在高達18體積%設(shè)計孔隙率的情況下，涂層的模量從傳統(tǒng)加工合金的248 GPa降低到33-43 GPa，這大大降低了天然骨的不匹配，模量范圍為3-20 GPa。類似的涂層也被報道增加了表面硬度、耐磨性和生物相容性，有可能改善關(guān)節(jié)表面在體內(nèi)的性能。在Ti6Al4V表面添加25%、50%、70%和86%的CoCrMo梯度涂層后，Ti6Al4V表面的硬度從333 ± 16 HV提高到947 ± 22 HV。隨著CoCrMo含量的增加，Ti6Al4V晶界處析出相增多，孔隙率為70%時，沿晶界聚集的析出相被細小的兩相CoCrMo-Ti6Al4V顯微組織所取代。這些結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的Ti6Al4V種植材料相比，梯度結(jié)構(gòu)的耐磨性有很大的提高。諸如此類的梯度結(jié)構(gòu)通過制造更持久、性能更好的產(chǎn)品來改善患者的生活方式，在當今世界影響著大量的人。由于其在制造多材料部件方面的優(yōu)勢，以及其改變和裁剪新材料性能的可能性，F(xiàn)GM切割技術(shù)將繼續(xù)受到廣泛的研究。

來源：Additive manufacturing of multi-material structures，MaterialsScience and Engineering: R: Reports，doi.org/10.1016/j.msr.2018.04.001
參考文獻：GE Global Research, 3D Printing New Parts for Aircraft Engines,2017, https://www.geglobalresearch.com ... s-aircraft-engines. (Accessed 11 February 2018).