增材制造適用材料及產(chǎn)品機械性能研究

劉 森

（江蘇安全技術(shù)職業(yè)學院，江蘇 徐州221100）

增材制造是起源于上個世紀90年代的一項新型技術(shù)，增材制造技術(shù)一經(jīng)提出就受到各個領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，目前市面上已經(jīng)可以見到由增材制造而生產(chǎn)的多種產(chǎn)品，如大家經(jīng)常需要用到的一些光敏類材料、超薄材料等都屬于增材制造技術(shù)的優(yōu)秀成果。增材制造推動了傳統(tǒng)的制作工藝逐步升級，呈現(xiàn)出極大的應(yīng)用優(yōu)勢，但是我們對增材制造技術(shù)的研究時間還比較短，雖然取得了一些卓越成果，但是在實踐應(yīng)用的過程中增材制造的創(chuàng)新也遇到了一些瓶頸。例如增材制造過程中使用的一些材料獲取難度非常大，一些成品的延展性增強，但是塑形有所降低，還有一些材料極易產(chǎn)生形變，這些都影響了產(chǎn)品使用范圍的進一步拓展。所以在實踐應(yīng)用的過程中，我們還需要繼續(xù)對增材制造技術(shù)進行研究，并探索如何更好地推進增材制造技術(shù)不斷優(yōu)化升級。

1 增材制造技術(shù)的原理分析

增材制造技術(shù)是由美國材料和實驗協(xié)會提出并加以定義，將其描述為：基于計算機輔助設(shè)計的數(shù)據(jù)模型，通過分層疊加材料的方式，來完成產(chǎn)品制造的相關(guān)技術(shù)。增材制造技術(shù)可以將概念設(shè)計與產(chǎn)品模型有機結(jié)合在一起，通過有效的加工過程來設(shè)計產(chǎn)品，從而使制作出的產(chǎn)品具有多種優(yōu)勢，增材制造的過程可以簡單用圖1表示。

圖1 增材制造過程

隨著增材制造適用材料的不斷拓寬，人們對增材制造工藝的研究也在逐步深入，其中有很多技術(shù)手段已經(jīng)發(fā)展的非常成熟，使得增材制造的應(yīng)用范圍被極大地拓寬。目前國內(nèi)外常見的增材制造加工技術(shù)包括以下幾種：金屬激光燒結(jié)（DMLS）技術(shù)、電子束熔融（EBM）技術(shù)、激光選區(qū)熔化（SLM）技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)、激光立體成型（LSF）技術(shù)、電子束自由制造（EBF3）技術(shù)、熔融沉積成型（FDM）技術(shù)、光固化立體成型（SLA）技術(shù)、分層實體制造（LOM）技術(shù)等。

這幾類技術(shù)的成型原理各不相同，所用的材料也有一定的區(qū)別，使得制作而成的產(chǎn)品在工藝特點方面也呈現(xiàn)出一定的差異性。以金屬激光燒結(jié)技術(shù)為例，它的常用材料是不銹鋼、鈷鉻合金及鈦合金等，這些材料都屬于金屬類材料。在加工的過程中，一般以激光束將金屬體局部融化，再把燒結(jié)金屬粉末逐層疊加，最后可以形成一些材質(zhì)緊密的實體零件。用這類技術(shù)加工而成的零件，它的機械性能要比鍛造件更強，而且加工過程中可使用的原材料非常廣泛，剩余的耗材也極易被清理和收集，所以這類技術(shù)當前應(yīng)用的范圍很廣。但是這一技術(shù)也有缺點，就是成型機的密度稍有欠缺，表面質(zhì)量也稍差一些，需要進一步進行后期的加工和處理。

電子束熔融技術(shù)也是金屬加工的一類常用技術(shù)，即用電子光束在真空環(huán)境下掃描機器內(nèi)置真空環(huán)境下的粉末，將粉末融化后再用逐層熔化的技術(shù)進行型材的疊加。這樣就可以在高溫條件下形成多孔、致密或多孔-致密符合部件。這類技術(shù)目前應(yīng)用非常廣泛，它加工而成的零部件無需后處理，而且材料利用率非常高，結(jié)構(gòu)本身的機械強度很大，質(zhì)量也比較輕。

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)主要適用材質(zhì)為一些熱塑性塑料、金屬粉末或者是陶瓷粉末，這類材料的可融合性更強，加工過程中一般采用激光逐層燒結(jié)的形式，將粉末加工形成聚合物，聚合物可以和金屬顆粒粘結(jié)在一起，在冷卻以后形成一些成型的結(jié)構(gòu)。這項技術(shù)的集成度非常高，而且生產(chǎn)的周期短，應(yīng)用范圍也非常廣。不過這類技術(shù)加工而成的產(chǎn)品極易變形，后處理實施比較困難。在一些產(chǎn)品精度要求高的材料處理過程中，需要有效把握各項因素的控制。

另外，光固化立體成型技術(shù)主要是以光硬化樹脂為材料，采用紫外光逐層掃描的方法，形成一些液態(tài)光敏聚合物，再將其固化物堆積直至成型。這類技術(shù)的產(chǎn)品成型度非常高，成型尺寸也比較大，表面質(zhì)量非常好，而且加工的速度非常快。缺點是產(chǎn)品的強度和韌性方面比較差，不適合高強度加工件使用。

2 增材制造技術(shù)的材料分類

增材制造技術(shù)目前的應(yīng)用范圍被極大地拓寬，加工而成的產(chǎn)品也多種多樣，但是不同增材制造技術(shù)使用材料略有差別，所加工而成的成型產(chǎn)品的機械性能也有一定的差異性。根據(jù)適用材料的不同，我們一般將其劃分為非金屬材料和金屬材料兩個大類。

2.1 非金屬材料類

當前人們對非金屬材料的研究和使用技術(shù)相對比較成熟，生活中常見的非金屬材料以高分子聚合物為主，如塑料。它本身有著熱塑性，流動性也好，而且凝結(jié)較快，固化能力非常強，是生活中常用的一類材料。在增材制造中，這類材料的發(fā)展和應(yīng)用也非常迅速。高分子材料還可以與陶瓷、玻璃、金屬粉末纖維等復(fù)合而成。一些新的材料不僅使得增材制造技術(shù)的使用范圍得到極大地拓寬，而且新合成的材料在性能上更加優(yōu)越。如水凝膠，它的力學性質(zhì)與人體的軟組織類似，因此在醫(yī)學領(lǐng)域有很強的應(yīng)用空間。另外，聚乳酸、聚酰胺、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料材料等也是常見的有機高分子材料。這類材料主要適合于用熔融沉積成型技術(shù)、光固化立體成型技術(shù)、分層實體制造技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)等來進行加工，進而生產(chǎn)出更多的新型復(fù)合材料及智能生物材料。

目前人們對于非金屬材料增材制造產(chǎn)品的制作工藝掌握比較成熟，對于產(chǎn)品的各類機械性能也進行了數(shù)據(jù)采樣。例如，人們研究發(fā)現(xiàn)，借助熔融沉積成型技術(shù)加工制備的聚丙烯材料，拉伸強度顯著高于同種塑料注塑件。而一些光敏樹脂材料經(jīng)過固化立體成型處理后，其拉伸強度可超過41MPa，經(jīng)過增材制造技術(shù)處理之后，獲得的機械性能遠優(yōu)于原材料，其柔韌性也非常好，因此增材制造技術(shù)為新材料的研發(fā)拓寬了路徑，很好地提升了產(chǎn)品的綜合性能，可以結(jié)合目標應(yīng)用進行多領(lǐng)域新型材料的研發(fā)，并能夠?qū)⒏鞣N材料的優(yōu)勢有效結(jié)合，進而制造出一些性能更優(yōu)的傳統(tǒng)素材替代品。

2.2 金屬材料

人們對增材制造技術(shù)的研究起初就是從金屬材料入手的。近年來，人們對于金屬材料的研究更加廣泛而深入。當前增材制造技術(shù)所用的材料主要集中于鈦合金、鎳合金鋼、低熔點金屬等。與傳統(tǒng)的制造零件相比，以增材制造技術(shù)來進行零部件加工，其機械性能表現(xiàn)出了一些顯著變化。其中很多材料經(jīng)過增材制造加工之后所得的成型零件在機械性能上接近或高于傳統(tǒng)設(shè)備。比如18Ni300模具鋼圍里借助激光選區(qū)熔化技術(shù)處理之后所成的材料，在抗拉伸度、屈服強度和硬度方面都大幅增加，不過材質(zhì)本身的塑性有所降低。而CoCrMo材料經(jīng)激光選區(qū)熔化技術(shù)處理后，拉伸強度、屈服強度及洛氏硬度都高于鑄件標準。為了更好地改善型材的機械性能，目前人們已經(jīng)探索借助激光立體成型技術(shù)與傳統(tǒng)的鑄造技術(shù)相結(jié)合，來更好地提升一些普通鑄件的性能。另外，金屬材料在增材制造技術(shù)應(yīng)用過程中極易出現(xiàn)孔隙，使得材料的延伸率會有所降低，這也是后續(xù)需要突破的一項重點難點。

3 增材制造類產(chǎn)品機械性能出現(xiàn)變化的原因分析

增材制造技術(shù)作為一項新型的產(chǎn)品加工工藝與傳統(tǒng)制造技術(shù)和制造工藝相比有多方面的優(yōu)勢，但是由增材制造技術(shù)加工而成的很多產(chǎn)品機械性能也產(chǎn)生了一些變化。如材質(zhì)的機械穩(wěn)定性降低、延展性變差、韌性降低等。增材制造技術(shù)設(shè)計的工藝步驟相對比較繁瑣，其中有很多需要進行反復(fù)的高溫冷卻操作，這就使得在材料加工過程中，材料的填充率、球化現(xiàn)象、冷卻速率、激光功率、成型速度、孔隙夾雜等會影響增材制造技術(shù)產(chǎn)品的性能。尤其是在增材制造產(chǎn)品過程中存在填充率變化的問題，使得一些材料易出現(xiàn)球化現(xiàn)象，導致燒結(jié)層縫隙的出現(xiàn)，進而使得材料的強度降低。

在增材制造加工過程中，材料本身的粒徑球形度也非常重要。對于增材制造技術(shù)而言，外形小，而大小一致的粉末應(yīng)該是最為理想的材料，但是球粒直徑越小，在成型的過程中就越容易發(fā)生過熱的現(xiàn)象，過熱可能導致溶池內(nèi)已經(jīng)融化的金屬流動狀態(tài)發(fā)生變化，使得材料內(nèi)部的介質(zhì)分布不均勻。而當粉末的直徑過大時，還有可能使得材料的冶金變化不充分，導致成形件的緊密性降低。

另外，在增材制造加工過程中，很多材料都不是一步成型，而是需要多層多道工序來進行容積沉淀。在熱處理技術(shù)過程中，一些已經(jīng)成型的部分要多次進行退火、回火的處理，使得材料的殘余應(yīng)力會產(chǎn)生變化，在微觀結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)一定的差異性。材料內(nèi)部微孔特征、界面粘性等方面也會受到不同程度的影響。在這些因素綜合作用之下，使得增材制造技術(shù)加工而成的產(chǎn)品力學性能會產(chǎn)生多種變化。

4 增材制造技術(shù)產(chǎn)品性能提升的方法分析

4.1 非金屬材料

在對增材制造技術(shù)進行研究的過程中，人們對于產(chǎn)品的質(zhì)量和機械性能的關(guān)注度非常高，并研究了多種加工方法以滿足不同素材的加工需求，目的都是為了使產(chǎn)品的機械性能可以獲得更大程度的改善。在人們探索的過程中，發(fā)現(xiàn)了一些復(fù)合技術(shù)可以更好地改善產(chǎn)品的機械性能。例如在ABS塑料中加入填充材料，可以更好地提升產(chǎn)品的力學性能。加入10%氣相生長碳纖維能夠很好地增強ABS塑料拉伸強度和彈性模量。

以材料共融而改善增材制造成品的機械性能是人們研究的一項重點。人們已經(jīng)將不同的苯乙烯類嵌段共聚物和ABS塑料進行了熔融共混，發(fā)現(xiàn)可以使材質(zhì)的強度大大提升。擴列件的加入可以更好地改善PLA素材的擴列性，使得缺口沖擊強度大大提升。目前光敏樹脂類在增材制造材料運用的過程中依然存在一些問題，如材質(zhì)本身的機械成本較高，機械性能較低等，這些都縮小了光敏樹脂的應(yīng)用范圍。增材制造在光敏樹脂類材料的應(yīng)用成為了一項熱點。目前人們已經(jīng)研究通過加入引發(fā)劑等，發(fā)現(xiàn)其力學性能可以得到較好的優(yōu)化。同時用光敏樹脂和適當?shù)囊l(fā)劑共混制作了一種新型的樹脂，與傳統(tǒng)材料相比，它的力學性能和熱性能都得到了進一步增強。另外，在光敏樹脂中融入二氧化硅加工而成的產(chǎn)品，體積收縮率和膨脹系數(shù)都有所降低，成型件的力學性能也得到了顯著提高。

4.2 金屬材料

人們在增材制造技術(shù)研究的過程中，對金屬材料研究投入的精力更多，研究的時間也相對長一些，同時在如何改善金屬材料綜合性能方面取得的成果也比較顯著。例如人們研究發(fā)現(xiàn)，通過激光選區(qū)融化技術(shù)來進行成型件機械加工時，隨著nHA含量增大，成型件的密度和抗壓強度會逐步降低，而當nHA的含量為5%時，成型機與純不銹鋼在抗拉強度和密度方面、致密度方面比較相似，所以人們可以借助科學的配比來更好地制作出符合承重要求的力學復(fù)合材料。另外采用激光熔化沉積技術(shù)制備增材復(fù)合材料時，增強相體積分數(shù)為9%的時候，復(fù)合材料表現(xiàn)出的力學性能最優(yōu)。有學者研究了稀土氧化物La2O3在WC-10Co顆粒增強銅基復(fù)合材料中的添加，研究發(fā)現(xiàn)，控制La2O3的含量，當成型件密度為96.3%時，成型件的維氏硬度可達403.1。

另外，激光功率和掃描速率的調(diào)整，可以更好地避免球化現(xiàn)象或翹曲變形的發(fā)生，使得成型件的機械性能可以有效增加。從增材制造的金屬成型件本身來講，其內(nèi)部力學性能的影響往往會使產(chǎn)品的機械性能大幅提升，而從力學角度來分析其內(nèi)部應(yīng)力結(jié)果對于整個成型件的強度和剛度會產(chǎn)生諸多影響。要讓成型件的強度和剛度滿足實際的應(yīng)用要求，還必須要探索加入一些復(fù)合材質(zhì)，這樣才可以更好地實現(xiàn)增材制造產(chǎn)品綜合性能的提升。

總之，在加工各類增材制造產(chǎn)品時，不僅要注重各項技術(shù)的配合應(yīng)用，同時還需注意對于材料配比、加工技術(shù)等的控制，以使增材制造而成的產(chǎn)品性能更優(yōu)。結(jié)合不同的加工要求，可以結(jié)合各類材料的使用需求來進行一些混合配置，增強傳統(tǒng)材料的機械性能。隨著人們對增材制造技術(shù)研究的不斷深入，越來越多的新型工藝將會不斷出現(xiàn)，人們還要探索通過多個要素的綜合控制而更好地實現(xiàn)對增材制造技術(shù)的控制和升級。