仿生金屬結(jié)構(gòu)的激光增材制造

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：本文簡要回顧了仿生細(xì)胞、平板和桁架結(jié)構(gòu)的激光AM的最新發(fā)展，以及用于仿生打印的激光AM材料。討論了激光AM加工仿生結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和功能。


高性能/多功能金屬部件主要決定了航空航天、航空和汽車行業(yè)中應(yīng)用的設(shè)備的使用性能。經(jīng)過數(shù)百萬年的自然進(jìn)化，生物體已開發(fā)出具有特定特性的結(jié)構(gòu)，從而為設(shè)計(jì)高性能結(jié)構(gòu)以滿足現(xiàn)代工業(yè)日益增長的需求提供了靈感。從制造角度來看，傳統(tǒng)加工技術(shù)的能力不足以制造這些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)配置。相比之下，激光增材制造（AM）由于其逐層沉積的優(yōu)勢，是制造復(fù)雜金屬仿生結(jié)構(gòu)的有效方法。本文簡要回顧了仿生細(xì)胞、平板和桁架結(jié)構(gòu)的激光AM的最新發(fā)展，以及用于仿生打印的激光AM材料。討論了激光AM加工仿生結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和功能。此外，還概述了未來利用激光AM技術(shù)制造高性能/多功能金屬仿生結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)、可能的結(jié)果和方向。

1、介紹
經(jīng)過數(shù)百萬年的自然進(jìn)化，自然界的生物已經(jīng)開發(fā)出高性能材料和結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)外部環(huán)境并管理捕食者。仿生技術(shù)可以通過學(xué)習(xí)自然優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)和材料來解決科學(xué)技術(shù)問題。仿生結(jié)構(gòu)的人工制造應(yīng)遵循以下原則：（1）以需求為導(dǎo)向，以滿足工程應(yīng)用的性能要求，即識別自然界具有特定性能的生物體；（2）基于從宏觀到微觀的表征方法的生物結(jié)構(gòu)分析，這樣可以理解生物結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則、材料的物理和化學(xué)機(jī)制及其與性能/功能的關(guān)系；（3）結(jié)構(gòu)建�；虿牧显O(shè)計(jì)，即從生物結(jié)構(gòu)分析或符合生物材料特性的人工材料中建立宏觀/微觀結(jié)構(gòu)模型。

增材制造（AM），也稱為三維打印，已被證明可有效制造具有復(fù)雜配置的組件�，F(xiàn)代工業(yè)迫切需要高性能金屬部件。新型結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計(jì)和激光AM技術(shù)的使用促進(jìn)了高性能金屬部件的制造。仿生結(jié)構(gòu)的激光AM是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、性能表征和功能實(shí)現(xiàn)的集成，如圖1所示。對于仿生結(jié)構(gòu)的激光AM過程中的材料選擇，可用材料的范圍相對較小，主要是因?yàn)榧す饧夹g(shù)和成型質(zhì)量的限制。激光AM仿生結(jié)構(gòu)的性能表征主要集中在其機(jī)械性能上，包括其承載能力、能量吸收和抗沖擊性。這些性質(zhì)與相應(yīng)的生物結(jié)構(gòu)性質(zhì)一致。功能實(shí)現(xiàn)類似于特性表征，主要包括形狀變化、保護(hù)和熱控制。

圖1 仿生結(jié)構(gòu)的激光增材制造集成了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、性能表征和功能實(shí)現(xiàn)。

在此，回顧了最近關(guān)于仿生結(jié)構(gòu)的激光AM的研究，以說明這種方法在創(chuàng)建高性能金屬仿生組件方面的潛在價(jià)值。從設(shè)計(jì)、材料、性能和功能四個(gè)方面闡述了仿生結(jié)構(gòu)的激光AM過程。此外，還討論了激光AM技術(shù)在創(chuàng)建仿生結(jié)構(gòu)方面的局限性。強(qiáng)調(diào)AM技術(shù)促進(jìn)了仿生結(jié)構(gòu)的發(fā)展，而仿生結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性給AM技術(shù)帶來了新的挑戰(zhàn)。

2、激光AM仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1. 細(xì)胞結(jié)構(gòu)（CSs）

CSs是一種很有前途的用于高孔隙率結(jié)構(gòu)的輕量且堅(jiān)固的組件。目前，CSs的兩個(gè)主要代表類別是規(guī)則細(xì)胞結(jié)構(gòu)（RCS）和不規(guī)則細(xì)胞結(jié)構(gòu)（ICS）。RCS通常表現(xiàn)出節(jié)點(diǎn)和支柱的周期性排列，被廣泛稱為晶格結(jié)構(gòu)。生物CSs是典型的ICSs，具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

人工植入物的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能類似于骨結(jié)構(gòu)（圖2（a）-（c）），以避免“應(yīng)力屏蔽”效應(yīng)，該效應(yīng)主要由人工植入物和骨之間的彈性模量差異引起。由于“應(yīng)力屏蔽”，應(yīng)力無法在種植體和骨之間有效傳遞。骨細(xì)胞沒有受到足夠的應(yīng)力刺激，會(huì)死亡并被吸收，從而導(dǎo)致人工植入物松動(dòng)或斷裂。來自胼胝體屬、藍(lán)藻屬和卵泡膜的灰蝶翅膀鱗片的微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出陀螺狀納米結(jié)構(gòu)特征（圖2（d）-（f））。

圖2 不同類型的仿生細(xì)胞結(jié)構(gòu)：（a–c）受骨啟發(fā)的Voronoi支架；（d–f）受蝴蝶（Lycaenid）翅膀微觀結(jié)構(gòu)啟發(fā)的回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)；（g–i）靈感來源于楓香果序的輕質(zhì)抗壓細(xì)胞結(jié)構(gòu)；（j–l）梯度管狀結(jié)構(gòu)靈感來自挪威云杉的橫截面結(jié)構(gòu)。

如圖2（g）所示，楓香果實(shí)（通常稱為臺灣膠）由木質(zhì)化骨架組成（圖2（h）-（i）），這使果實(shí)能夠表現(xiàn)出最大的能量吸收效率、充足的生長空間和優(yōu)異的機(jī)械性能。然而，這種類型的CS不能通過重復(fù)排列形成大規(guī)模的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，只能以單元的形式用于工程應(yīng)用。挪威云杉（圖2（j））可以在北極生存，并表現(xiàn)出優(yōu)異的耐寒性能，這主要?dú)w因于其莖的中空和梯度微觀結(jié)構(gòu)（圖2（k））。挪威云杉啟發(fā)的梯度CS（圖2（l））具有承重和隔熱性能。應(yīng)用LPBF制備梯度碳納米管，并測量其導(dǎo)熱系數(shù)。結(jié)果表明，從結(jié)構(gòu)頂部到中心具有較大梯度的梯度CS表現(xiàn)出最佳的隔熱性能。

2.2. 平板結(jié)構(gòu)

生物體的外部保護(hù)結(jié)構(gòu)通常表現(xiàn)為板狀結(jié)構(gòu)，幾個(gè)單獨(dú)的板狀結(jié)構(gòu)重疊形成盔甲，提供保護(hù)和靈活性。激光AM處理的仿生板結(jié)構(gòu)具有曲面的特點(diǎn)，可能用于汽車、防護(hù)裝甲和航空航天領(lǐng)域。

觀察到螳螂蝦telson截面的關(guān)鍵正弦?guī)缀涡螤睿▓D3（a））。我們設(shè)計(jì)了雙向波紋板（DCP）結(jié)構(gòu)，靈感來自螳螂蝦。進(jìn)行壓縮模擬以優(yōu)化DCP結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)（波長λ和振幅A）。通過LPBF制造DCP結(jié)構(gòu)，以驗(yàn)證模擬結(jié)果（圖3（b））。結(jié)果表明，λ對力學(xué)性能的影響大于振幅A。研究了DCP結(jié)構(gòu)的三種典型變形模式（即全折疊、過渡和整體屈曲模式）。此外，基于仿生DCP結(jié)構(gòu)，通過LPBF設(shè)計(jì)并制造了一種新型疊加正弦波（SSW）結(jié)構(gòu)。研究了能量吸收特性、變形模式和斷裂機(jī)制，結(jié)果表明，與大多數(shù)報(bào)道的能量吸收結(jié)構(gòu)相比，SSW構(gòu)件具有更高的壓碎力效率（CFE），達(dá)到73.06%。使用Ti6Al4V通過LPBF產(chǎn)生仿生夾層結(jié)構(gòu)（圖3（d））。

圖3 具有平板特征的仿生結(jié)構(gòu)：（a）螳螂蝦telson橫截面的波紋特征；（b） LPBF制造的雙向波紋面板組件靈感來自螳螂蝦的telson；（c）鞘翅的宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)；（d） LPBF處理的elytra啟發(fā)結(jié)構(gòu)組件；（e，f）海賊骨啟發(fā)的多層S形墻結(jié)構(gòu)。

與CSs的LPBF過程相比，在板結(jié)構(gòu)的LPBF過程中，必須優(yōu)化建造方向，并在預(yù)處理軟件中合理添加支撐結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)榘褰Y(jié)構(gòu)由許多懸垂面組成。此外，由于激光AM過程中存在較大的熱梯度和較高的冷卻速率，在制造薄壁板結(jié)構(gòu)時(shí)，可能會(huì)發(fā)生熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力和變形。最佳激光參數(shù)，如功率、掃描速度和掃描策略，可以有效降低殘余應(yīng)力和變形。此外，可以進(jìn)行熱處理等后處理來緩解殘余應(yīng)力。

2.3. 桁架結(jié)構(gòu)

桁架結(jié)構(gòu)是一種長桁架交錯(cuò)連接的結(jié)構(gòu)。桁架結(jié)構(gòu)因其穩(wěn)定性高、重量輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在衛(wèi)星、飛機(jī)、建筑等工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。近年來，隨著AM技術(shù)的發(fā)展，提出并制造了具有更復(fù)雜配置的桁架結(jié)構(gòu)。

甲蟲的前翅（圖4（a））不僅可以保護(hù)其身體，還可以提高其飛行能力。圖4（b）顯示了甲蟲前翼的圓柱管微觀結(jié)構(gòu)。雙曲面的仿生形狀可以從甲蟲前翼的微觀結(jié)構(gòu)中追溯（圖4（c））。在用旋轉(zhuǎn)桁架替換雙曲面后，獲得了仿生雙曲面桁架結(jié)構(gòu)，并使用LPBF制造（圖4（d）、（e））。在壓縮試驗(yàn)期間，應(yīng)力集中從水平支柱的交點(diǎn)轉(zhuǎn)移到對角支柱的交點(diǎn)，從而導(dǎo)致仿生雙曲面桁架結(jié)構(gòu)的高能量吸收能力（3.45 J）。另一種典型的桁架結(jié)構(gòu)是受水蜘蛛潛水鐘啟發(fā)的網(wǎng)殼（圖4（f）-（i））[74]。曲霉Eupletella aspergillum的骨骼系統(tǒng)也被稱為維納斯花籃，表現(xiàn)出顯著的機(jī)械魯棒性（圖4（j））。從曲霉菌的骨骼系統(tǒng)設(shè)計(jì)了方形晶格結(jié)構(gòu)（圖4（k）），并對其力學(xué)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究（圖4（l））。與傳統(tǒng)排列的晶格結(jié)構(gòu)相比，基于生物結(jié)構(gòu)排列的桁架晶格結(jié)構(gòu)顯著提高了力學(xué)性能。在本研究中，證明了在不添加材料的情況下，可以顯著提高結(jié)構(gòu)的抗屈曲性能。

圖4 具有桁架特征的仿生結(jié)構(gòu)：（a–e）LPBF制造的格子結(jié)構(gòu)，靈感來自甲蟲前翼的圓柱管；（f–i）LPBF制造的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)靈感來自蜘蛛絲的交聯(lián)結(jié)構(gòu)；（j–l）三維打印晶格，靈感來自海綿的對角增強(qiáng)策略。

3、仿生結(jié)構(gòu)激光AM的材料和工藝

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織和美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)列出了兩種主要的金屬材料激光AM類型。一種是基于粉末擴(kuò)散的LPBF（圖5（a）），另一種是基于粉末噴涂的激光定向能量沉積（LDED）（圖5（b））。在這兩種工藝中，激光被用作能量源來熔化金屬粉末并逐層制造部件。結(jié)構(gòu)的數(shù)字模型可以使用AM技術(shù)直接轉(zhuǎn)換為物理產(chǎn)品。與傳統(tǒng)制造方法不同，AM是處理仿生復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有效方法。目前的研究重點(diǎn)是LPBF，用于制造仿生結(jié)構(gòu)。

圖5 兩種主要的激光AM工藝和材料類型：（a）LPBF工藝的示意圖；（b） LDED工藝示意圖；（c）多孔脊柱植入裝置；（d） LPBF處理的單一Ti6Al4V材料的典型針狀微觀結(jié)構(gòu)；（e）透射電子顯微鏡顯示貽貝的貝須和貝須角質(zhì)層的顆粒微觀結(jié)構(gòu)；（f） WC/Inconel 718復(fù)合材料的掃描電鏡微觀結(jié)構(gòu)；（g） Crysomallon squamiferum貝殼的宏觀照片，以及貝殼橫截面的光學(xué)微觀結(jié)構(gòu)，顯示多層結(jié)構(gòu)；（h）多層Ti6Al4V/TiB2材料的靈感來源于鱗片鐵。

3.1. 單一材料

激光AM中使用的金屬材料包括鋁合金、Ti6Al4V合金和鎳基高溫合金。激光AM處理的仿生結(jié)構(gòu)的性能是材料特性和結(jié)構(gòu)提供的性能增強(qiáng)的疊加。金屬仿生組件的材料必須根據(jù)預(yù)期工程應(yīng)用進(jìn)行選擇。渦輪葉片用于高溫環(huán)境，通常使用鎳基高溫合金。由于激光AM工藝的高冷卻速率（103–106°C/s），在凝固過程中形成了細(xì)胞狀而非樹枝狀微觀結(jié)構(gòu)，從而消除了樹枝狀偏析。Ti6Al4V合金由于其優(yōu)越的機(jī)械性能，廣泛用于航空航天部件，如燃?xì)廨啓C(jī)、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)身部件。

通過使用不同材料的激光AM，可以獲得各種微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。仿生結(jié)構(gòu)通常表現(xiàn)出薄壁、懸垂和獨(dú)特的曲面結(jié)構(gòu)等特征。當(dāng)用于處理不同的仿生結(jié)構(gòu)時(shí)，不同的材料往往表現(xiàn)出不同的特性和性能。鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)較低，在激光加工過程中容易導(dǎo)致局部熱量積聚，從而導(dǎo)致結(jié)渣和應(yīng)力變形等問題。因此，在設(shè)計(jì)仿生結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)考慮材料和結(jié)構(gòu)的兼容性。

仿生力學(xué)用單一材料加固3D打印結(jié)構(gòu)。

3.2. 復(fù)合材料

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上具有不同化學(xué)和物理性質(zhì)的成分組成的材料。由復(fù)合材料組成的LPBF加工仿生結(jié)構(gòu)有望創(chuàng)造高性能和多功能結(jié)構(gòu)。激光AM中使用的復(fù)合材料主要包括原位增強(qiáng)復(fù)合材料、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料和碳材料增強(qiáng)復(fù)合材料。復(fù)合材料的新型增強(qiáng)相微觀結(jié)構(gòu)對于提高強(qiáng)度和韌性至關(guān)重要。因此，為了達(dá)到與自然生物結(jié)構(gòu)相匹配的性能，在制造仿生結(jié)構(gòu)時(shí)必須使用復(fù)合材料。

在AM過程中，尤其是仿生復(fù)雜結(jié)構(gòu)的LPBF過程中，復(fù)合粉末經(jīng)常受到粉末團(tuán)聚、流動(dòng)性差和粉末鋪展不均勻等問題的影響。這些問題可直接導(dǎo)致在激光加工過程中形成局部氣孔、熔合不足、裂紋和其他缺陷，這將顯著惡化仿生組件的整體性能。因此，材料、過程和性能控制的集成至關(guān)重要。

仿生力學(xué)用多種材料加固3D打印結(jié)構(gòu)。

3.3. 多種材料

使用單一材料或復(fù)合材料無法完全復(fù)制生物結(jié)構(gòu)的優(yōu)異性能。使用多種材料可能會(huì)導(dǎo)致組件在不同位置表現(xiàn)出不同的物理和化學(xué)特性。因此，多材料AM是完全復(fù)制生物結(jié)構(gòu)特性的可行選擇。

對于LPBF處理的多層材料，最重要的考慮因素是沉積材料是否會(huì)與之前的層結(jié)合。由于各種材料在熔化和凝固階段的復(fù)雜相互作用，粘接由材料的特定特性決定，這些特性由材料的熱力學(xué)演化決定。熱膨脹系數(shù)、激光吸收系數(shù)、熔化溫度和熱導(dǎo)率的失配抑制了多種材料的組合。

目前，激光AM制造部件中的缺陷是不可避免的，導(dǎo)致部件的相對密度和尺寸精度較低。根據(jù)激光AM的形成機(jī)理，可將孔隙分為三種類型。接下來，我們回顧了激光AM制造部件的典型微觀結(jié)構(gòu)孔隙和表面宏觀缺陷。

鎖眼孔：如圖6（a）所示，鎖眼孔是由于鎖孔塌陷而形成的。由于輸入的能量過多，熔池接收到足夠的能量，用于金屬蒸發(fā)和等離子體形成。在這種情況下，開發(fā)了增強(qiáng)激光吸收的蒸汽腔，從而使激光“鉆”到更深的深度，從而形成小孔。

圖6 激光AM產(chǎn)生的典型缺陷和難以加工的結(jié)構(gòu)：（a–c）三種類型的微結(jié)構(gòu)孔隙；（d–f）導(dǎo)致表面粗糙度的表面缺陷；（g–i）激光AM中難以處理的結(jié)構(gòu)特征示例。

截留氣孔：粉末中預(yù)先存在的保護(hù)氣體或材料熔化過程中元素的選擇性蒸發(fā)導(dǎo)致截留氣孔的形成。如圖6（b）所示。雖然合金元素在激光加工過程中從整個(gè)均勻混合的液池中排出，但合金元素從熔池表面蒸發(fā)。決定成分變化幅度的影響因素之一是表面積體積比。雖然高溫加速了蒸發(fā)，但也會(huì)增加熔池尺寸，從而減少因體積增加而引起的成分變化。因此，應(yīng)估計(jì)溫度場和熔池幾何形狀，以了解AM期間的成分變化。

（a）DED-L（b）DED-EB（c）DED-GMA（d）PBF-L（e）超聲波增材制造（UAM）工藝和（f）粘合劑噴射工藝的示意圖。

未熔合（LOF）孔：當(dāng)金屬粉末未完全熔化且熔池?zé)o法填充粉末之間的孔時(shí)，會(huì)形成LOF孔（圖6（c））。LOF孔隙促進(jìn)凹坑的擴(kuò)展和萌生，從而惡化部件的機(jī)械性能。增加激光功率或降低掃描速度可以通過增加熔池尺寸來減少LOF孔隙。然而，應(yīng)控制激光能量密度以防止氣孔的形成。

粘結(jié)粉末：在激光AM中，熔池邊緣與未熔化粉末接觸，未熔化粉末部分熔化并粘附在部件表面（圖6（d））。粘結(jié)粉末增加了激光AM制造部件的表面粗糙度，從而降低了結(jié)構(gòu)完整性，從而降低了性能。高能輸入可以提高熔池內(nèi)的反應(yīng)溫度，從而降低熔融材料的粘度。對于裝配部件，后處理技術(shù)（如機(jī)加工拋光、噴砂和化學(xué)處理）可以有效去除粘結(jié)粉末并改善表面粗糙度。

球化現(xiàn)象：LPBF中涉及的掃描軌跡分離成球的現(xiàn)象稱為球化（圖6（e））。在LPBF期間，液相的良好潤濕和鋪展至關(guān)重要。通常，當(dāng)液相不能滲透未熔化的固體顆粒時(shí)，會(huì)發(fā)生成球。這可能會(huì)影響下一層的形成，這可能會(huì)降低致密化并惡化材料性能。合理控制印刷過程中輸入的能量，例如通過調(diào)整激光功率、掃描速度和粉末層厚度，可以有效減少成球。

階梯式：在LPBF期間，熱量主要通過固體傳遞。傾斜表面的大部分區(qū)域連接到粉末而不是固體材料。因此，由于傾角的原因，在粉末床上傳導(dǎo)了一些熱量，激光和粉末之間的相互作用導(dǎo)致局部過熱，從而導(dǎo)致超大熔池幾何形狀，然后形成階梯狀（圖6（f））。較小的層厚可以有效地削弱階梯效應(yīng)，提高成形質(zhì)量。然而，對于大型復(fù)雜組件，較小的層厚度意味著完成打印需要更多的時(shí)間。因此，需要一個(gè)合適的建筑方向來避免尖銳的建筑方向。

4、激光AM制作的仿生結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能

4.1. 承載力

承載力通常通過靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)獲得（圖7（a））。從壓縮實(shí)驗(yàn)中獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表明了結(jié)構(gòu)的彈性模量、斷裂強(qiáng)度、能量吸收和其他特性。金屬CSs的典型壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線可分為三個(gè)階段：彈性、平臺和致密化。彈性階段涉及結(jié)構(gòu)的彈性變形，其中彈性階段的斜率表示彈性模量。壓縮過程中的平臺階段表示結(jié)構(gòu)的間歇性故障。致密化階段表示通過致密化對結(jié)構(gòu)的破壞。必須研究壓縮過程中結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布（圖7（b））和變形模式，以了解性能變化的機(jī)制。

圖7 表征仿生結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的方法：（a）靜態(tài)壓縮；（b）應(yīng)力分布的數(shù)值模擬；（c）根據(jù)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線計(jì)算的能量吸收；（d）加速?zèng)_擊試驗(yàn)裝置；（e）細(xì)胞結(jié)構(gòu)的沖擊力和位移與時(shí)間的關(guān)系圖。

5.通過LPBF制造的仿生結(jié)構(gòu)的功能

除了機(jī)械性能外，通過激光AM制造的一些仿生金屬部件還具有某些功能�，F(xiàn)代工業(yè)對多功能部件（圖8（a））的需求逐漸增加，特別是對同時(shí)具有優(yōu)異機(jī)械性能和功能的仿生組件的要求很高。在本節(jié)中，我們回顧了仿生金屬組件的三種功能。

圖8 通過激光AM制造的仿生結(jié)構(gòu)的功能：（a）氣動(dòng)控制假肢；（b）梯度管狀結(jié)構(gòu)的熱控制功能；（c）加拿大石鱉和仿生護(hù)甲的掃描電鏡；（d）柔性集成磁電結(jié)構(gòu)壓縮和恢復(fù)期間產(chǎn)生的電力；（e）三維打印自催化反應(yīng)器；（f） LPBF處理的光聚焦結(jié)構(gòu)靈感來自龍蝦眼。

5.1. 熱控制

在自然界中，許多生物表現(xiàn)出優(yōu)異的隔熱性能，尤其是那些生活在極端溫度環(huán)境中的生物，如火山口以及南極和北極地區(qū)。腹足類軟體動(dòng)物Crysomallon squamiferum生活在Kairei印度熱液噴口區(qū)域。它的天然裝甲呈現(xiàn)出鍍鐵多層結(jié)構(gòu)，可以承受高溫并提供隔熱功能。企鵝可以承受極端寒冷，同時(shí)禁食長達(dá)120天，這主要是因?yàn)樗鼈兊挠鹈�具有出色的耐熱性。北極熊皮毛的獨(dú)特中空結(jié)構(gòu)使它們能夠在極冷的北極地區(qū)生存。分析和重建生活在極端溫度環(huán)境中的生物體的獨(dú)特生物結(jié)構(gòu)，可能為開發(fā)下一代熱控制結(jié)構(gòu)或材料提供新的思路。

目前，關(guān)于熱控制部件AM的研究主要集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料創(chuàng)新。為了開發(fā)LPBF處理的仿生熱控制結(jié)構(gòu)，研究了挪威云杉激發(fā)的梯度CSs的導(dǎo)熱性（圖8（b））。結(jié)果表明，在靠近頂部和底部的板上具有較大空心管和在中心具有較小空心管的梯度CS的導(dǎo)熱系數(shù)最低，為2.321w/（m•K）。關(guān)于激光AM處理的熱控制材料，陶瓷的引入有效地降低了金屬的導(dǎo)熱性。

5.2. 保護(hù)

護(hù)甲在自然生物中無處不在，可以追溯到3.8億年前發(fā)現(xiàn)的板甲化石。現(xiàn)代生物，包括魚類、爬行動(dòng)物和哺乳動(dòng)物，都有不同的盔甲�？�甲的主要功能是保護(hù)身體器官。根據(jù)Islam等人，基于載荷條件，仿生防護(hù)裝甲可分為以下四類：高速碰撞防護(hù)、低速鈍性沖擊載荷、尖銳沖擊載荷和機(jī)動(dòng)性/運(yùn)動(dòng)。自然界是開發(fā)新型保護(hù)結(jié)構(gòu)的巨大靈感來源，激光AM為制造復(fù)雜的仿生保護(hù)結(jié)構(gòu)提供了基礎(chǔ)。

5.3. 形狀改變

涉及顯示形狀變化的成形部件的3D打印技術(shù)稱為四維（4D）打印。目前，大多數(shù)4D打印技術(shù)都使用非金屬材料。一個(gè)典型的例子是開發(fā)彈性多基體納米復(fù)合材料，該復(fù)合材料可以打印并拉伸到前體長度的三倍以上。對于金屬4D打印，由于其獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)，NiTi是制造形狀變化部件的最有前景的材料。此外，提出了一種材料組合概念，用于構(gòu)建四維打印組件，包括導(dǎo)電和磁性組件。

除上述功能外，還報(bào)告了可同時(shí)用作化學(xué)反應(yīng)器和催化劑的三維印刷金屬集成催化系統(tǒng)（圖8（e））。這些系統(tǒng)優(yōu)化了幾何形態(tài)以增強(qiáng)催化功能。此外，激光AM已用于制造能夠會(huì)聚光束的光學(xué)元件（圖8（f））。采用LPBF技術(shù)加工了龍蝦眼激發(fā)的球形微通道組件，研究了激光功率對致密化行為、尺寸精度和表面粗糙度的影響。結(jié)果表明，激光參數(shù)以及結(jié)構(gòu)特征不僅影響LPBF加工部件的成形性。仿生結(jié)構(gòu)通常具有多種功能和特性。在這方面，激光AM是制造多功能和復(fù)雜金屬仿生結(jié)構(gòu)的可行方法。

6、結(jié)論與展望

經(jīng)過數(shù)百萬年的進(jìn)化，大自然已成為開發(fā)新材料和結(jié)構(gòu)的重要靈感來源�？茖W(xué)技術(shù)問題可以通過研究自然結(jié)構(gòu)和材料來解決。激光AM已被證明是制造金屬仿生結(jié)構(gòu)的有效方法。近年來，有關(guān)仿生結(jié)構(gòu)的研究，特別是在金屬仿生部件的激光AM領(lǐng)域，取得了顯著進(jìn)展。

（1）應(yīng)簡化仿生結(jié)構(gòu)的配置，總結(jié)數(shù)學(xué)規(guī)律。在工程領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)，如蜂窩結(jié)構(gòu)，通常是規(guī)則的。我們認(rèn)為，良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)取決于結(jié)構(gòu)的規(guī)律性。生物結(jié)構(gòu)由于其功能的多樣性而通常是復(fù)雜的，并且很難確定仿生結(jié)構(gòu)的構(gòu)型變化規(guī)律。

（2）將開發(fā)用于激光AM制造的仿生結(jié)構(gòu)的特定材料。使用多種材料可以使組件在不同位置表現(xiàn)出不同的物理和化學(xué)特性，從而滿足仿生結(jié)構(gòu)的要求。開發(fā)與生物材料具有相同機(jī)械性能的金屬或陶瓷粉末材料對于仿生結(jié)構(gòu)的激光AM至關(guān)重要。

（3）必須進(jìn)一步改進(jìn)激光AM技術(shù)，以制造更精細(xì)的仿生結(jié)構(gòu)。激光光斑的大小決定了激光AM組件的最小單位。具有較小光斑尺寸的高功率激光可以改善精密仿生結(jié)構(gòu)的成形性。此外，必須通過優(yōu)化工藝參數(shù)來減少激光AM制造的仿生元件的內(nèi)部和外部缺陷。

（4）人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)可以促進(jìn)仿生結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)在分析生物結(jié)構(gòu)和性能之間關(guān)系方面的應(yīng)用越來越多，這將使我們了解生物結(jié)構(gòu)高性能的原因。建模軟件和人工智能的結(jié)合將通過自適應(yīng)模型優(yōu)化簡化仿生結(jié)構(gòu)的建模。

來源：Laser Additive Manufacturing of Bio-inspired Metallic Structures, Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers, doi.org/10.1016/j.cjmeam.2022.100013

參考文獻(xiàn)：Material-structure-performance integrated laser-metal additive manufacturing Science, 372 (2021), p. eabg1487; Recent progress in biomimetic additive manufacturing technology: from materials to functional structures, Adv Mater (2018), Article 1706539