多材料结构的增材制造（2）

来源：江苏激光联盟

导读：本综述旨在重点介绍3D打印聚合物基，金属金属和金属陶瓷应用的范围，同时讨论增材制造多材料结构的优势和挑战。本文为第二部分。

３．２．纤维增强聚合物复合材料
与仅由聚合物制成的复合材料不同，纤维增强聚合物复合材料(FRPC)因其重量轻、强度高而备受关注。AM现在正被用于使用传统聚合物AM工艺[44]来制造FRPC。纤维增强复合材料由排列和分散在聚合物基体中的小纤维组成。它们通常是由层压板以不同的方向相互叠加而成，这被证明是一种通过传统复合材料叠合技术制造出坚固、轻量化零件的有效方法。

Impossible Objects公司创建了一个类似的系统，通过一种称为基于复合材料的增材制造(CBAM)的工艺，增材制造碳纤维复合材料结构，从螺钉到翼型。与传统的复合材料铺层技术相比，这些结构显示了该工艺提供的复杂能力，传统的复合材料铺层技术限制了复杂的设计。该公司还开发了一种3D打印机，通过紫外辐射固化和沉积纳米纤维垫，将基于喷墨的聚合物3D打印技术集成在一起。喷墨沉积一层光固化油墨,它是随后治愈使用紫外线辐射,加热,然后在聚合物纤维垫。纤维垫的形状,印在垫子上,这个过程持续分层技术直到部分完成。每一层可使用不同的纤维，最后部分的性能可根据纤维的类型和布放的方向来设计。

金属调幅的三个最显著的缺点是基础设施成本高，交货周期长，以及缺乏标准。这些限制抑制了AM在大规模生产部件或需要精确机械性能的部件上的使用。大型金属AM机器是昂贵的是粉末原料，建造时间是非常缓慢的，AM零件需要精加工，除非最终部分是复杂的，从一个钢坯加工是更快的。然而，在某些情况下，AM对于生产部件和原型设计都是可行的技术。例如，由钛制成的复杂部件(如细胞结构或其他具有低相对密度的几何形状)是DMLS的优秀候选材料。钛是硬的，很难加工，特别是在一个复杂的部分，只有一小部分的原始钢坯残留。在这些零件中，DMLS可以满足前面列出的五种驱动，因此具有比传统加工更有竞争力的利基应用。

(a)如何通过常规加工(去除材料)和AM(添加材料)实现两个相同零件的原理图。(b, c)带有小挠度的钛镜支架，用于固定镜子。这个零件是用钢坯加工而成的。(d)在RPM Innovations使用LD将一块Ti沉积在Ti衬底上。(e, f)从(d)的零件加工出与(b, c)相同的弯曲度，表明增材工艺比传统工艺需要的加工少得多。

上图演示了这样一个例子，其中一个AM应用程序可以应用到硬件上。光学支架是用来固定镜子的金属支架，通常比较复杂，需要精密的弯曲来抓取和倾斜镜子。图(b)和图(c)中所示的镜面支架是由一个大的钛坯料制成的。坯料的原始尺寸超过了小挠曲的高度，这表明在制造过程中，Ti的去除量远远超过50%。图(a)中的原理图显示，对于这样的零件，通过在钛基板上只沉积弯曲所需的材料，在添加工艺中构建弯曲可能是经济有效的。图(d)显示了Ti-6Al-4V (Ti-6-4)块，其中Ti-6-4柱是用LD沉积的。然后将ti块按常规加工成镜面弯曲，如图(e)和(f)所示，使用与制造硬件相同的常规加工，如图(b)所示。这表明，当战略性地应用AM工艺时，它是有效的，就像需要去除50%以上的坯料来制造的零件一样。

FRPC的调幅加工技术是从席地沉积技术发展出来的，它将碳纤维与聚合物长丝结合在一起，这正在缓慢地推动传统聚合物调幅技术在某些应用中进入原型阶段。其中一个应用是由橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)生产的一辆3D打印汽车，在那里，一种聚合物复合材料被用于制造一辆1965年的谢尔比眼镜蛇(Shelby Cobra)的车身，这是一个前所未有的壮举。表3列出了基于聚合物的多材料结构及其各自特性变化的其他具体例子。

表3 MM-AM组合的例子及其各自的属性。

4. 金属和合金的MM-AM

AM的设计能力与金属和合金的机械性能相结合，在设计师和高性能的最终部件之间建立了无与伦比的联系。最常见的金属AM工艺是直接金属激光熔化/熔化(DMLM/DMLF)，电子束熔化(EBM)，激光工程网整形(LENS)，直接激光/能量/金属沉积(DLD/DED/DMD)，激光基金属丝沉积(LMWD)，电子束自由成形(EBF)(或电子束增材制造(EBAM))。混合增材制造(HAM)工艺也正在研究金属增材制造，以结合增材制造和减法制造。通过这些共同的过程，来自激光或电子束热源的高能输入可以提供足够的热激活能量，形成独特的微观结构和相，这是通过平衡冷却无法实现的。而且，通过精密的热管理系统，可以为特定的应用定制梯度微结构和相。图6突出了通过AM实践创建的一些金属基多材料结构的独特的微观结构和相。

图6 (b) MM-AM设计，(c,d) Ti3Ni2Si增强复合材料的基体-沉积界面金属间化合物形成，(e) IN718上的铜合金，(f) SS316 + BN复合材料涂层的基体-沉积界面树枝状生长，(c,d) Ti3Ni2Si增强复合材料的基体-沉积界面金属间化合物形成。(g) Ti6Al4V + 增加CoCrMo[58]的数量，(h) TiN增强Ti6Al4V中TiN形成周围的反应层。

虽然有许多系统能够增材制造金属，但由于各种机器特定的限制，这些技术大多局限于单一的材料AM。例如，金属粉末床熔接工艺虽然可靠，在学术界和工业界都被广泛接受，但由于工艺的特点，无法简单地完成多种材料的加工，因此只限于单一材料的使用。粉床熔合等工艺无法实现多材料加工的问题不在此讨论;相反，下面将讨论对MM-AM最有希望的一些多材料加工工艺以及一些创新的例子。表3列出了金属多材料结构及其各自性质变化的其他具体例子。

4．1. 线馈电直接沉积

EBF和LMWD是在一束电子束或激光的作用下，将所需材料的金属丝在基板上沿着设计路径熔化和固化的过程。然后，以一层一层的方式制作零件，直到制作出一个完整的零件(图7中显示了一些由这个过程创建的大型结构的例子)。尽管制造最后一个零件的基本原理类似于成熟的聚合物FDM工艺，馈线直接沉积是独特的，因为馈线在梁下可以很容易地改变过程中，以制造多材料零件。此外，对零件设计的唯一限制是馈线器的数量，以及材料是否可以馈线形式。要做成线状，材料必须具有延展性，以承受必要的力，使材料的直径减小到更细。由于这可能是先进材料结构的一个限制因素，因此在线材原料中，可以选择大量的原材料，包括钛、铬镍铁合金、铝、镍、镍铜、钴、钽，甚至铌以及它们各自的合金。

图7 各种线馈电直接沉积结构和复合材料组织的图像。

从这种选择中，可以通过组合不同的金属丝，甚至通过将金属丝与来自单独馈电的金属粉末在一次构建过程中结合，用大量不同的材料制成成分级配部件。钛合金Ti6Al4V被沉积为不同厚度的管状和方形截面，以创建大型、光滑的单材料组件(图7a-c)。图7d和e给出了通过直接送丝生产的其他单材料散装零件以及工艺示意图。在制造过程中，当另一种材料被引入系统时，断面分析和显微组织观察是理解逐层熔化过程中其发展的必要条件。图7f - i为线馈电复合材料中获得的一些显微组织，其中图7f,g为线馈电方式沉积Ti6Al4V时，连续加入碳化钨粉末所引起的显微组织变化。这种丝/粉复合流动导致WC、W2C和TiC强化相形成，使复合层的显微硬度从320 HV0.2提高到500 HV0.2。虽然添加的粉末是陶瓷的，但可以在同一意义上添加多种金属粉末，形成金属-金属复合材料。

除了从线材馈电过程中获得的机械优势，如增加硬度，该技术还有一个明显的加工优势:沉积速度。据报道，EBF工艺的沉积速率高达330 g/min，与定向光制造(DLF)和线材和电弧增材制造(WAAM)的沉积速率10和12 g/min相比有很大差异。然而，随着这种快速沉积，高表面粗糙度和低尺寸精度成为一个问题。为了制造复杂的金属结构，要求具有较高的尺寸精度和较低的表面粗糙度。可能实现这一精度的最简单的方法是通过减少用于制造的材料的尺寸，因为激光用于像LMWD这样的过程已经有了一个小的光斑尺寸的能力，这增加了几何能力，即尺寸精度。将材料从线状缩减为粉末状是实现这一目标的最简单方法，因为填充密度增加，而按比例缩小的材料通常相当于按比例缩小的分辨率。粉末基直接沉积技术最适合制造复杂金属结构所需的两种要求，其尺寸精度约为25-130 μm，表面粗糙度为1-2 μm。与线材直接沉积相比，部分由于这种能力，粉末基直接沉积在创新方面取得了长足进步。

4．2． Powder-based直接沉积

LENS、DLD和DMD是一种直接沉积方法，可以制造多种材料，如送丝，它们使用粉末金属代替金属丝作为大块加工材料。这些过程是通过在激光的焦点下流动金属粉末，并以可控的速度在基材上熔化和固化来实现的。然后，通过将基板或沉积头按适合每一层的路径移动，一层一层地沉积材料来构建形状。这种方法允许MM-AM通过动态改变粉末沉积在特定时间的构建。与多个粉末料斗(在处理过程中，机器中存储散装粉末的外壳)应用多种材料，可以像关闭一个料斗和另一个在触摸按钮一样容易。图4a-c显示了基于粉末的直接沉积过程通常是如何工作的，以及它们如何在制造过程中改变材料以创建多层材料的层状结构。不仅可以在制备过程中随时改变沉积的粉末，而且可以将不同的粉末预混合并沉积在一条流中。这使得从一种材料到另一种材料的梯度变化成为可能，在用户可定义的位置创建复合结构，在特定的功能是需要的。

然而，最重要的质量限制是存放的材料是否与先前存放的材料相结合。这是大多数增材制造工艺的固有问题，有时需要对材料进行修改，例如聚合物AM需要在热塑性塑料中添加增粘剂，以帮助连接连续的两层材料。由于多种材料在熔炼和凝固过程中会发生复杂的相互作用，不同材料之间的热力学演化会导致材料特性的不同。热膨胀系数、激光吸收率、熔化温度和热导率的不匹配只是某些特性，有时会抑制多种材料的结合。金属粉末表现出几乎是层状的流体流动行为(类似于细砂)，而不是随机破碎和劈裂(类似于烘焙面粉)，这在很大程度上也影响了沉积过程中保持恒定和预期的粉末流动速率的构建质量。

目前，人们正对这些局限性进行广泛的研究，以克服粘接问题，并使用坚固的材料-材料界面构建部件，本文稍后将讨论一些替代技术。公司已经克服了其中的一些问题，并开始利用这些工艺进行多材料部件的商业化开发。例如，DMG MORI制造了一种将直接激光沉积与五轴超声研磨相结合的机器。这台机器可以制造非常复杂的零件，并通过制造由钢、铬镍铁合金和碳化钨组成的钻头来制造兼容的多材料零件。另一个例子是LENS工艺创建的不锈钢管直接从316L过渡到430L，有效地从非磁性材料过渡到磁性材料。

与传统焊接工艺相比，LENS工艺创造了这种完全没有焊缝或大的热影响区，具有平滑过渡的连续结构(图4j)。显微组织表明，沉积层界面处晶粒生长方向优先。整个截面的显微硬度值表现为从SS430区最高的266±4 HV到SS316区最低的174±3 HV的平稳过渡。在双金属结构的SS430侧观察到磁性功能。通过粉末直接沉积的AM具有强大的能力，有效和准确地将多种材料合并到一个单一的组件，这使得这一过程在制造领域越来越令人兴奋。

4.3 混合增材制造(HAM)

数控加工是一种将节省成本的加法加工与减法数控加工的尺寸精度相结合的加工方法。当一个金属部件通过直接能量沉积法进行加成加工时，HAM允许在同一系统中沉积后立即对该部件进行加工。这与传统的数控技术的步骤有很大的不同，在传统的数控技术中，一个单一的材料块被放置在数控机床上，并经过大量的减法过程来创建最后的部分。在铣削过程中，多余的材料产生了大量的材料浪费，这直接转化为制造成本和环境影响。然而，在HAM中，最初的块材料不再存在，因为操作人员是通过直接沉积的方式将零件建立在接近净形状的位置，只需要在必要的地方进行表面处理，并产生很少的材料浪费。这个过程的示意图如图8所示。此外，由于添加部分是通过直接的能量沉积过程，多材料的能力是存在的。利用数控加工的减法能力，在将第二种材料沉积到均匀的表面之前，可以降低表面粗糙度，这对于制造密集的、可重复的层非常重要，特别是用于修复和涂层目的。

图8 图(上)显示了在制造过程中，HAM与传统加工方式的对比，以减少材料浪费，以及一些由DMG MORI(左下)和Optomec(右下)生产的HAM零件和系统的实际实例。

此外，在沉积后，用户可以直接精确地控制设计几何形状的表面。如图8所示，DMG MORI的Lasertec 65等系统可以通过5轴材料沉积，然后在同一系统内进行精确的5轴铣削，生成系统就绪的组件。Optomec公司也具有这种能力，其模块化设计可以将数控铣床、车床、机器人等集成到一个系统中，在制造过程中提供难以置信的运动控制和精度。

由Optomec创建的混合AM部件也可以在图8中看到，其中CNC铣削控制在部件的各个区域，而其他复杂的形状保持在沉积状态。这种制造业的发展与传统的加工AM零件有很大的不同，后者需要送到单独的数控机床进行最后的精加工。在HAM中，多种制造方法被组合成一个过程，在保持固定零件位置的同时，可以轻松地从增材到减材。

HAM也以另一种方式起作用;在添加材料之前可以进行减法处理，使部件易于修复。通过将磨损部件放入HAM系统中，然后对受损区域进行预处理和构建，使其恢复到原始状态，HAM在结构、汽车、航空航天等领域开辟了广泛的材料节约机会。这允许在现有和新创建的结构区域制造精确的表面特性，同时大大降低制造成本和材料浪费。

然而，从设计到最终的过程有其局限性。设计中的不均匀横截面导致数控加工操作受到悬挑结构、更换刀具所需时间、大量的设计前期考虑以及缺乏冷却剂等因素的限制，使得该过程有时难以实现高效生产。

一旦在未来的研究中解决了这些限制，诸如航空航天、汽车、医疗和国防等目前使用金属AM的行业将受益于HAM，因为它可以减少材料浪费并缩短周转时间。高效的部件维修也将对这些行业产生吸引力，以限制大量的维修/更换成本。HAM在使AM过程更高效方面具有巨大潜力，未来的研究需要解决这一过程的缺点。

4.4 梯度金属结构的MM-AM

DLD、DMD和LENS制作梯度结构的能力有很多优势。例如，当两种不同的材料相互粘接时，由于前面描述的性能不匹配，在界面处失败的几率通常更高。由于粘结问题是由于材料性能的巨大不匹配而引起的，解决这些问题的第一步就是减少不匹配的程度。如果材料性能存在梯度变化，则材料失配失效的可能性将会降低。

在不改变材料组成的情况下实现这一目标的一种方法是，使用复合层作为两种纯材料之间的一种“粘结”层，而不是直接过渡。人们对制作梯度材料的设计方法进行了研究。梯度材料是一种具有不同材料域的梯度材料。新提出的方法是基于离散的，从连续的材料变化到逐步变化。一个简单的例子可以直接过渡到一个复合材料一个区域的50%和50% B,然后直接过渡到女性生殖器切割的材料B .几个例子as-deposited状态以及原理图的设计层次中可以看到图4 d。

可以设计具有梯度材料特性的零件，并可以通过改变粉末输入来制作零件。通过这样做，材料的性能可以通过利用材料的不断变化的材料/机械性能来设计。例如，在150° C时，Ni-Cr零件的设计负热膨胀系数(CTE)为dL/L = −0.00065。理想情况下，这一过程可以用于制造压电结构，具有负泊松比，或制造具有负热膨胀的延性金属。

成分级配也增加了部分的整体性能和完整性，因为弱化接缝的焊缝应力集中大大减少。在一个案例中,有限元素分析表明,梯度过渡从不锈钢304 l到625年铬镍铁合金在汽车阀杆少大约10倍在过渡区应力集中而摩擦stir-welded联合在操作温度下相同的材料(图4 h)。另一个FGM的例子是，在高温航空航天应用中，透镜沉积的铬镍铁合金向铜合金过渡，以增加导热行为(图4i)。一旦材料性能的不匹配可以通过改变工艺参数来解决，就可以设计出用传统方法难以制造的结构。成分级配方法表现为界面处Inconel 718和GRCop-84元素逐渐转变，界面处呈柱状晶结构，Cr2Nb析出相沿晶界和基体-沉积界面聚集。在50° C至300° C的温度范围内，测量平均热扩散率为11.33 mm2/s;在3.20 mm2/s时，扩散率比纯Inconel 718合金提高了250%。与Inconel 718相比，双金属结构的电导率提高了近300%。

增材制造的多孔结构，虽然看起来不太直观，但可以归类为多材料结构，用一种设计方式制造的单一材料，空气可以作为内部和外部孔隙的第二种材料。这些结构与人们通常想象的MM-AM密集结构有很大的不同。这种设计的孔隙率通过弱化结构和增加表面粗糙度，对材料的性能有显著的影响。

这一想法是工程多孔金属种植体用于生物医学应用的基础，因为种植体与组织间的不良相互作用和患者体内种植体与骨强度的高比值是承重种植体的两个主要关注点。由于表面能的变化和表面面积的不足，种植体与组织之间的相互作用在很大程度上取决于种植体的表面粗糙度，这可能会导致种植体与宿主组织之间形成强界面的问题。通过外部和互联的孔隙度增加表面粗糙度，从而通过增加表面积和允许机械连锁来创造更持久的种植体，从而改善种植体与组织之间的相互作用。

使用空气作为这些生物医学设备的第二材料也降低了植入物与骨的强度比到更合适的水平。这对于减少被称为应力屏蔽的现象很重要，这种现象发生在植入物比周围的骨骼更强，吸收比骨骼更多的负荷，最终削弱骨骼并在周围的骨骼中形成骨质疏松区。随着种植体周围的骨头磨损，种植体松动的几率大大增加，通常需要进行翻修手术以减轻疼痛并更换种植体。在植入物中引入空气作为第二种材料，减少了强度的不匹配，同时增加了组织生长到材料中的可能途径的数量。

与单纯致密的CoCrMo涂层相比，通过MM-AM制备多孔钴铬钼(CoCrMo)髋关节假体已被证明可以减少应力屏蔽，同时提高假体的生物相容性。在高达18体积%设计孔隙率的情况下，涂层的模量从传统加工合金的248 GPa降低到33-43 GPa，这大大降低了天然骨的不匹配，模量范围为3-20 GPa。类似的涂层也被报道增加了表面硬度、耐磨性和生物相容性，有可能改善关节表面在体内的性能。在Ti6Al4V表面添加25%、50%、70%和86%的CoCrMo梯度涂层后，Ti6Al4V表面的硬度从333 ± 16 HV提高到947 ± 22 HV。随着CoCrMo含量的增加，Ti6Al4V晶界处析出相增多，孔隙率为70%时，沿晶界聚集的析出相被细小的两相CoCrMo-Ti6Al4V显微组织所取代。这些结果表明，与传统的Ti6Al4V种植材料相比，梯度结构的耐磨性有很大的提高。诸如此类的梯度结构通过制造更持久、性能更好的产品来改善患者的生活方式，在当今世界影响着大量的人。由于其在制造多材料部件方面的优势，以及其改变和裁剪新材料性能的可能性，FGM切割技术将继续受到广泛的研究。

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