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

时间：2022-11-04 12:23:18

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。

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。

（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。

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。

增材制造（AM）通常被称为三维（3D）打印，允许直接从计算机辅助设计（CAD）文件快速按需制造近净形状部件，而无需任何零件专用工具。最近，它被确定为推动第四次工业革命的十二种颠覆性技术之一。虽然AM最初是作为“触感”零件的快速原型制作工具，但现在它已成为各行业的主流制造。AM机器通过“逐层”方法逐步沉积材料，从数字模型制作3D零件。AM技术的后续创新将印刷材料的种类从聚合物扩展到金属、陶瓷、复合材料，甚至生物组织。先进自动化和机器人技术在AM中的集成有助于减少制造差异，制造出高质量和可重复性的大型复杂结构。AM的固有优势吸引了航空航天、生物医学、汽车和消费品行业的注意。

DED已成为印刷大型独立零件的主要金属AM技术平台，这是PBF系统的一个具有挑战性的应用。虽然大型独立部件特别适用于DED，但对于研究机器而言，需要少量粉末或能够沉积多种材料结构是最吸引人的特点。基于DED的金属AM系统主要不与PBF系统竞争，但提供互补的制造能力。研究和工业DED系统广泛用于修复高价值或传统部件，合金设计用于优化AM使用的材料化学或创新新化学，制造大型零件，在现有零件上添加涂层，或创建双金属或功能梯度结构。与其他金属AM系统相比，DED技术平台为所有具有挑战性的应用提供了独特的优势。

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