仿生金属结构的激光增材制造

来源：长三角G60激光联盟

导读：本文简要回顾了仿生细胞、平板和桁架结构的激光AM的最新发展，以及用于仿生打印的激光AM材料。讨论了激光AM加工仿生结构的力学性能和功能。


高性能/多功能金属部件主要决定了航空航天、航空和汽车行业中应用的设备的使用性能。经过数百万年的自然进化，生物体已开发出具有特定特性的结构，从而为设计高性能结构以满足现代工业日益增长的需求提供了灵感。从制造角度来看，传统加工技术的能力不足以制造这些复杂的结构配置。相比之下，激光增材制造（AM）由于其逐层沉积的优势，是制造复杂金属仿生结构的有效方法。本文简要回顾了仿生细胞、平板和桁架结构的激光AM的最新发展，以及用于仿生打印的激光AM材料。讨论了激光AM加工仿生结构的力学性能和功能。此外，还概述了未来利用激光AM技术制造高性能/多功能金属仿生结构的挑战、可能的结果和方向。

1、介绍
经过数百万年的自然进化，自然界的生物已经开发出高性能材料和结构，以适应外部环境并管理捕食者。仿生技术可以通过学习自然优秀的结构和材料来解决科学技术问题。仿生结构的人工制造应遵循以下原则：（1）以需求为导向，以满足工程应用的性能要求，即识别自然界具有特定性能的生物体；（2）基于从宏观到微观的表征方法的生物结构分析，这样可以理解生物结构的设计原则、材料的物理和化学机制及其与性能/功能的关系；（3）结构建模或材料设计，即从生物结构分析或符合生物材料特性的人工材料中建立宏观/微观结构模型。

增材制造（AM），也称为三维打印，已被证明可有效制造具有复杂配置的组件。现代工业迫切需要高性能金属部件。新型结构的仿生设计和激光AM技术的使用促进了高性能金属部件的制造。仿生结构的激光AM是结构设计、材料选择、性能表征和功能实现的集成，如图1所示。对于仿生结构的激光AM过程中的材料选择，可用材料的范围相对较小，主要是因为激光技术和成型质量的限制。激光AM仿生结构的性能表征主要集中在其机械性能上，包括其承载能力、能量吸收和抗冲击性。这些性质与相应的生物结构性质一致。功能实现类似于特性表征，主要包括形状变化、保护和热控制。

图1 仿生结构的激光增材制造集成了结构设计、材料选择、性能表征和功能实现。

在此，回顾了最近关于仿生结构的激光AM的研究，以说明这种方法在创建高性能金属仿生组件方面的潜在价值。从设计、材料、性能和功能四个方面阐述了仿生结构的激光AM过程。此外，还讨论了激光AM技术在创建仿生结构方面的局限性。强调AM技术促进了仿生结构的发展，而仿生结构的复杂性给AM技术带来了新的挑战。

2、激光AM仿生结构设计

2.1. 细胞结构（CSs）

CSs是一种很有前途的用于高孔隙率结构的轻量且坚固的组件。目前，CSs的两个主要代表类别是规则细胞结构（RCS）和不规则细胞结构（ICS）。RCS通常表现出节点和支柱的周期性排列，被广泛称为晶格结构。生物CSs是典型的ICSs，具有独特的优势。

人工植入物的设计应尽可能类似于骨结构（图2（a）-（c）），以避免“应力屏蔽”效应，该效应主要由人工植入物和骨之间的弹性模量差异引起。由于“应力屏蔽”，应力无法在种植体和骨之间有效传递。骨细胞没有受到足够的应力刺激，会死亡并被吸收，从而导致人工植入物松动或断裂。来自胼胝体属、蓝藻属和卵泡膜的灰蝶翅膀鳞片的微观结构表现出陀螺状纳米结构特征（图2（d）-（f））。

图2 不同类型的仿生细胞结构：（a–c）受骨启发的Voronoi支架；（d–f）受蝴蝶（Lycaenid）翅膀微观结构启发的回转体结构；（g–i）灵感来源于枫香果序的轻质抗压细胞结构；（j–l）梯度管状结构灵感来自挪威云杉的横截面结构。

如图2（g）所示，枫香果实（通常称为台湾胶）由木质化骨架组成（图2（h）-（i）），这使果实能够表现出最大的能量吸收效率、充足的生长空间和优异的机械性能。然而，这种类型的CS不能通过重复排列形成大规模的细胞结构，只能以单元的形式用于工程应用。挪威云杉（图2（j））可以在北极生存，并表现出优异的耐寒性能，这主要归因于其茎的中空和梯度微观结构（图2（k））。挪威云杉启发的梯度CS（图2（l））具有承重和隔热性能。应用LPBF制备梯度碳纳米管，并测量其导热系数。结果表明，从结构顶部到中心具有较大梯度的梯度CS表现出最佳的隔热性能。

2.2. 平板结构

生物体的外部保护结构通常表现为板状结构，几个单独的板状结构重叠形成盔甲，提供保护和灵活性。激光AM处理的仿生板结构具有曲面的特点，可能用于汽车、防护装甲和航空航天领域。

观察到螳螂虾telson截面的关键正弦几何形状（图3（a））。我们设计了双向波纹板（DCP）结构，灵感来自螳螂虾。进行压缩模拟以优化DCP结构的结构参数（波长λ和振幅A）。通过LPBF制造DCP结构，以验证模拟结果（图3（b））。结果表明，λ对力学性能的影响大于振幅A。研究了DCP结构的三种典型变形模式（即全折叠、过渡和整体屈曲模式）。此外，基于仿生DCP结构，通过LPBF设计并制造了一种新型叠加正弦波（SSW）结构。研究了能量吸收特性、变形模式和断裂机制，结果表明，与大多数报道的能量吸收结构相比，SSW构件具有更高的压碎力效率（CFE），达到73.06%。使用Ti6Al4V通过LPBF产生仿生夹层结构（图3（d））。

图3 具有平板特征的仿生结构：（a）螳螂虾telson横截面的波纹特征；（b） LPBF制造的双向波纹面板组件灵感来自螳螂虾的telson；（c）鞘翅的宏观结构和微观结构；（d） LPBF处理的elytra启发结构组件；（e，f）海贼骨启发的多层S形墙结构。

与CSs的LPBF过程相比，在板结构的LPBF过程中，必须优化建造方向，并在预处理软件中合理添加支撑结构。这是因为板结构由许多悬垂面组成。此外，由于激光AM过程中存在较大的热梯度和较高的冷却速率，在制造薄壁板结构时，可能会发生热应力、残余应力和变形。最佳激光参数，如功率、扫描速度和扫描策略，可以有效降低残余应力和变形。此外，可以进行热处理等后处理来缓解残余应力。

2.3. 桁架结构

桁架结构是一种长桁架交错连接的结构。桁架结构因其稳定性高、重量轻、强度高等优点，在卫星、飞机、建筑等工程领域有着广泛的应用。近年来，随着AM技术的发展，提出并制造了具有更复杂配置的桁架结构。

甲虫的前翅（图4（a））不仅可以保护其身体，还可以提高其飞行能力。图4（b）显示了甲虫前翼的圆柱管微观结构。双曲面的仿生形状可以从甲虫前翼的微观结构中追溯（图4（c））。在用旋转桁架替换双曲面后，获得了仿生双曲面桁架结构，并使用LPBF制造（图4（d）、（e））。在压缩试验期间，应力集中从水平支柱的交点转移到对角支柱的交点，从而导致仿生双曲面桁架结构的高能量吸收能力（3.45 J）。另一种典型的桁架结构是受水蜘蛛潜水钟启发的网壳（图4（f）-（i））[74]。曲霉Eupletella aspergillum的骨骼系统也被称为维纳斯花篮，表现出显著的机械鲁棒性（图4（j））。从曲霉菌的骨骼系统设计了方形晶格结构（图4（k）），并对其力学性能进行了实验和数值研究（图4（l））。与传统排列的晶格结构相比，基于生物结构排列的桁架晶格结构显著提高了力学性能。在本研究中，证明了在不添加材料的情况下，可以显著提高结构的抗屈曲性能。

图4 具有桁架特征的仿生结构：（a–e）LPBF制造的格子结构，灵感来自甲虫前翼的圆柱管；（f–i）LPBF制造的网壳结构灵感来自蜘蛛丝的交联结构；（j–l）三维打印晶格，灵感来自海绵的对角增强策略。

3、仿生结构激光AM的材料和工艺

国际标准化组织和美国材料与试验协会列出了两种主要的金属材料激光AM类型。一种是基于粉末扩散的LPBF（图5（a）），另一种是基于粉末喷涂的激光定向能量沉积（LDED）（图5（b））。在这两种工艺中，激光被用作能量源来熔化金属粉末并逐层制造部件。结构的数字模型可以使用AM技术直接转换为物理产品。与传统制造方法不同，AM是处理仿生复杂结构的有效方法。目前的研究重点是LPBF，用于制造仿生结构。

图5 两种主要的激光AM工艺和材料类型：（a）LPBF工艺的示意图；（b） LDED工艺示意图；（c）多孔脊柱植入装置；（d） LPBF处理的单一Ti6Al4V材料的典型针状微观结构；（e）透射电子显微镜显示贻贝的贝须和贝须角质层的颗粒微观结构；（f） WC/Inconel 718复合材料的扫描电镜微观结构；（g） Crysomallon squamiferum贝壳的宏观照片，以及贝壳横截面的光学微观结构，显示多层结构；（h）多层Ti6Al4V/TiB2材料的灵感来源于鳞片铁。

3.1. 单一材料

激光AM中使用的金属材料包括铝合金、Ti6Al4V合金和镍基高温合金。激光AM处理的仿生结构的性能是材料特性和结构提供的性能增强的叠加。金属仿生组件的材料必须根据预期工程应用进行选择。涡轮叶片用于高温环境，通常使用镍基高温合金。由于激光AM工艺的高冷却速率（103–106°C/s），在凝固过程中形成了细胞状而非树枝状微观结构，从而消除了树枝状偏析。Ti6Al4V合金由于其优越的机械性能，广泛用于航空航天部件，如燃气轮机、喷气发动机和机身部件。

通过使用不同材料的激光AM，可以获得各种微观结构和机械性能。仿生结构通常表现出薄壁、悬垂和独特的曲面结构等特征。当用于处理不同的仿生结构时，不同的材料往往表现出不同的特性和性能。钛合金的导热系数较低，在激光加工过程中容易导致局部热量积聚，从而导致结渣和应力变形等问题。因此，在设计仿生结构时，应考虑材料和结构的兼容性。

仿生力学用单一材料加固3D打印结构。

3.2. 复合材料

复合材料是由两种或两种以上具有不同化学和物理性质的成分组成的材料。由复合材料组成的LPBF加工仿生结构有望创造高性能和多功能结构。激光AM中使用的复合材料主要包括原位增强复合材料、颗粒增强复合材料和碳材料增强复合材料。复合材料的新型增强相微观结构对于提高强度和韧性至关重要。因此，为了达到与自然生物结构相匹配的性能，在制造仿生结构时必须使用复合材料。

在AM过程中，尤其是仿生复杂结构的LPBF过程中，复合粉末经常受到粉末团聚、流动性差和粉末铺展不均匀等问题的影响。这些问题可直接导致在激光加工过程中形成局部气孔、熔合不足、裂纹和其他缺陷，这将显著恶化仿生组件的整体性能。因此，材料、过程和性能控制的集成至关重要。

仿生力学用多种材料加固3D打印结构。

3.3. 多种材料

使用单一材料或复合材料无法完全复制生物结构的优异性能。使用多种材料可能会导致组件在不同位置表现出不同的物理和化学特性。因此，多材料AM是完全复制生物结构特性的可行选择。

对于LPBF处理的多层材料，最重要的考虑因素是沉积材料是否会与之前的层结合。由于各种材料在熔化和凝固阶段的复杂相互作用，粘接由材料的特定特性决定，这些特性由材料的热力学演化决定。热膨胀系数、激光吸收系数、熔化温度和热导率的失配抑制了多种材料的组合。

目前，激光AM制造部件中的缺陷是不可避免的，导致部件的相对密度和尺寸精度较低。根据激光AM的形成机理，可将孔隙分为三种类型。接下来，我们回顾了激光AM制造部件的典型微观结构孔隙和表面宏观缺陷。

锁眼孔：如图6（a）所示，锁眼孔是由于锁孔塌陷而形成的。由于输入的能量过多，熔池接收到足够的能量，用于金属蒸发和等离子体形成。在这种情况下，开发了增强激光吸收的蒸汽腔，从而使激光“钻”到更深的深度，从而形成小孔。

图6 激光AM产生的典型缺陷和难以加工的结构：（a–c）三种类型的微结构孔隙；（d–f）导致表面粗糙度的表面缺陷；（g–i）激光AM中难以处理的结构特征示例。

截留气孔：粉末中预先存在的保护气体或材料熔化过程中元素的选择性蒸发导致截留气孔的形成。如图6（b）所示。虽然合金元素在激光加工过程中从整个均匀混合的液池中排出，但合金元素从熔池表面蒸发。决定成分变化幅度的影响因素之一是表面积体积比。虽然高温加速了蒸发，但也会增加熔池尺寸，从而减少因体积增加而引起的成分变化。因此，应估计温度场和熔池几何形状，以了解AM期间的成分变化。

（a）DED-L（b）DED-EB（c）DED-GMA（d）PBF-L（e）超声波增材制造（UAM）工艺和（f）粘合剂喷射工艺的示意图。

未熔合（LOF）孔：当金属粉末未完全熔化且熔池无法填充粉末之间的孔时，会形成LOF孔（图6（c））。LOF孔隙促进凹坑的扩展和萌生，从而恶化部件的机械性能。增加激光功率或降低扫描速度可以通过增加熔池尺寸来减少LOF孔隙。然而，应控制激光能量密度以防止气孔的形成。

粘结粉末：在激光AM中，熔池边缘与未熔化粉末接触，未熔化粉末部分熔化并粘附在部件表面（图6（d））。粘结粉末增加了激光AM制造部件的表面粗糙度，从而降低了结构完整性，从而降低了性能。高能输入可以提高熔池内的反应温度，从而降低熔融材料的粘度。对于装配部件，后处理技术（如机加工抛光、喷砂和化学处理）可以有效去除粘结粉末并改善表面粗糙度。

球化现象：LPBF中涉及的扫描轨迹分离成球的现象称为球化（图6（e））。在LPBF期间，液相的良好润湿和铺展至关重要。通常，当液相不能渗透未熔化的固体颗粒时，会发生成球。这可能会影响下一层的形成，这可能会降低致密化并恶化材料性能。合理控制印刷过程中输入的能量，例如通过调整激光功率、扫描速度和粉末层厚度，可以有效减少成球。

阶梯式：在LPBF期间，热量主要通过固体传递。倾斜表面的大部分区域连接到粉末而不是固体材料。因此，由于倾角的原因，在粉末床上传导了一些热量，激光和粉末之间的相互作用导致局部过热，从而导致超大熔池几何形状，然后形成阶梯状（图6（f））。较小的层厚可以有效地削弱阶梯效应，提高成形质量。然而，对于大型复杂组件，较小的层厚度意味着完成打印需要更多的时间。因此，需要一个合适的建筑方向来避免尖锐的建筑方向。

4、激光AM制作的仿生结构的力学性能

4.1. 承载力

承载力通常通过静态压缩实验获得（图7（a））。从压缩实验中获得的应力-应变曲线表明了结构的弹性模量、断裂强度、能量吸收和其他特性。金属CSs的典型压应力-应变曲线可分为三个阶段：弹性、平台和致密化。弹性阶段涉及结构的弹性变形，其中弹性阶段的斜率表示弹性模量。压缩过程中的平台阶段表示结构的间歇性故障。致密化阶段表示通过致密化对结构的破坏。必须研究压缩过程中结构的应力分布（图7（b））和变形模式，以了解性能变化的机制。

图7 表征仿生结构力学性能的方法：（a）静态压缩；（b）应力分布的数值模拟；（c）根据压缩应力-应变曲线计算的能量吸收；（d）加速冲击试验装置；（e）细胞结构的冲击力和位移与时间的关系图。

5.通过LPBF制造的仿生结构的功能

除了机械性能外，通过激光AM制造的一些仿生金属部件还具有某些功能。现代工业对多功能部件（图8（a））的需求逐渐增加，特别是对同时具有优异机械性能和功能的仿生组件的要求很高。在本节中，我们回顾了仿生金属组件的三种功能。

图8 通过激光AM制造的仿生结构的功能：（a）气动控制假肢；（b）梯度管状结构的热控制功能；（c）加拿大石鳖和仿生护甲的扫描电镜；（d）柔性集成磁电结构压缩和恢复期间产生的电力；（e）三维打印自催化反应器；（f） LPBF处理的光聚焦结构灵感来自龙虾眼。

5.1. 热控制

在自然界中，许多生物表现出优异的隔热性能，尤其是那些生活在极端温度环境中的生物，如火山口以及南极和北极地区。腹足类软体动物Crysomallon squamiferum生活在Kairei印度热液喷口区域。它的天然装甲呈现出镀铁多层结构，可以承受高温并提供隔热功能。企鹅可以承受极端寒冷，同时禁食长达120天，这主要是因为它们的羽毛具有出色的耐热性。北极熊皮毛的独特中空结构使它们能够在极冷的北极地区生存。分析和重建生活在极端温度环境中的生物体的独特生物结构，可能为开发下一代热控制结构或材料提供新的思路。

目前，关于热控制部件AM的研究主要集中在结构设计和材料创新。为了开发LPBF处理的仿生热控制结构，研究了挪威云杉激发的梯度CSs的导热性（图8（b））。结果表明，在靠近顶部和底部的板上具有较大空心管和在中心具有较小空心管的梯度CS的导热系数最低，为2.321w/（m•K）。关于激光AM处理的热控制材料，陶瓷的引入有效地降低了金属的导热性。

5.2. 保护

护甲在自然生物中无处不在，可以追溯到3.8亿年前发现的板甲化石。现代生物，包括鱼类、爬行动物和哺乳动物，都有不同的盔甲。盔甲的主要功能是保护身体器官。根据Islam等人，基于载荷条件，仿生防护装甲可分为以下四类：高速碰撞防护、低速钝性冲击载荷、尖锐冲击载荷和机动性/运动。自然界是开发新型保护结构的巨大灵感来源，激光AM为制造复杂的仿生保护结构提供了基础。

5.3. 形状改变

涉及显示形状变化的成形部件的3D打印技术称为四维（4D）打印。目前，大多数4D打印技术都使用非金属材料。一个典型的例子是开发弹性多基体纳米复合材料，该复合材料可以打印并拉伸到前体长度的三倍以上。对于金属4D打印，由于其独特的形状记忆效应，NiTi是制造形状变化部件的最有前景的材料。此外，提出了一种材料组合概念，用于构建四维打印组件，包括导电和磁性组件。

除上述功能外，还报告了可同时用作化学反应器和催化剂的三维印刷金属集成催化系统（图8（e））。这些系统优化了几何形态以增强催化功能。此外，激光AM已用于制造能够会聚光束的光学元件（图8（f））。采用LPBF技术加工了龙虾眼激发的球形微通道组件，研究了激光功率对致密化行为、尺寸精度和表面粗糙度的影响。结果表明，激光参数以及结构特征不仅影响LPBF加工部件的成形性。仿生结构通常具有多种功能和特性。在这方面，激光AM是制造多功能和复杂金属仿生结构的可行方法。

6、结论与展望

经过数百万年的进化，大自然已成为开发新材料和结构的重要灵感来源。科学技术问题可以通过研究自然结构和材料来解决。激光AM已被证明是制造金属仿生结构的有效方法。近年来，有关仿生结构的研究，特别是在金属仿生部件的激光AM领域，取得了显著进展。

（1）应简化仿生结构的配置，总结数学规律。在工程领域，广泛应用的结构，如蜂窝结构，通常是规则的。我们认为，良好的结构设计应取决于结构的规律性。生物结构由于其功能的多样性而通常是复杂的，并且很难确定仿生结构的构型变化规律。

（2）将开发用于激光AM制造的仿生结构的特定材料。使用多种材料可以使组件在不同位置表现出不同的物理和化学特性，从而满足仿生结构的要求。开发与生物材料具有相同机械性能的金属或陶瓷粉末材料对于仿生结构的激光AM至关重要。

（3）必须进一步改进激光AM技术，以制造更精细的仿生结构。激光光斑的大小决定了激光AM组件的最小单位。具有较小光斑尺寸的高功率激光可以改善精密仿生结构的成形性。此外，必须通过优化工艺参数来减少激光AM制造的仿生元件的内部和外部缺陷。

（4）人工智能和机器学习可以促进仿生结构的设计。人工智能和机器学习在分析生物结构和性能之间关系方面的应用越来越多，这将使我们了解生物结构高性能的原因。建模软件和人工智能的结合将通过自适应模型优化简化仿生结构的建模。

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

参考文献：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