激光增材制造技術(shù)的研究進展

摘要：隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，增材制造技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在社會的各個領(lǐng)域。研究幾種與納米技術(shù)相結(jié)合的增材制造方法的進展，主要集中在金屬基納米復(fù)合材料的激光增材制備方面。

關(guān)鍵詞：激光;增材制造;納米顆粒;力學(xué)性能;復(fù)合材料

中圖分類號：TG176文獻標識碼：A

激光增材制造對于直接制造滿足航空航天、國防、汽車和生物醫(yī)學(xué)工業(yè)領(lǐng)域要求的功能性金屬工具和部件具有重要意義[1]。用于納米復(fù)合材料制造的典型增材制造工藝包括三維打印、立體光刻、熔融沉積建模等。在這些增材制造工藝中，激光增材制造能夠直接從金屬粉末中制備出具有復(fù)雜三維幾何形狀的金屬構(gòu)件。

1 三維打?。?DP）

三維打印是在粉末床表面撒上薄薄的粉末，聚合物黏合劑選擇性地噴射到要建造物體的粉末上，粉末層下面的活塞可以精確地降低該部分，以便下一個新層可以鋪在上一層的頂部。黏合劑再次按照預(yù)先設(shè)計的模式選擇性地噴射到粉末上逐層重復(fù)該過程，直到零件制造完成。

Bai等人在水基黏結(jié)劑中加入納米銀，在三維打印過程中，懸浮液中的納米粒子在較低的溫度下燒結(jié)在一起。納米粒子可以在燒結(jié)過程中連續(xù)提供黏結(jié)強度，與不使用納米銀懸浮液的純部件相比，最終打印的銀部件的拉伸強度更高。納米銀懸浮部件與純黏合劑三維打印部件相比收縮性小、變形小、延展性高。Czyzewski等人通過三維打印技術(shù)制造的包含碳納米纖維（CNF）的導(dǎo)電組件，將CNF添加到環(huán)氧樹脂黏合劑中，以便獲得成型件，三維打印處理后，其模量比普通碳纖維高很多，具有了更強的導(dǎo)電和導(dǎo)熱能力[2]。

2 立體光刻（SLA）

立體光刻是使用紫外線激光來選擇性固化液態(tài)可光固化聚合物。在SLA的過程中，通過掃描激光束選擇性地固化安裝在平臺上的建筑部件的第一層?？梢詮腃AD模型中跟蹤每層的圖案，在打印過程中將其轉(zhuǎn)換為STL文件。一旦零件的第一層固化，平臺就可以精確地降低一定量的零件，從而可以將下一個未固化的光固化聚合物層施加到上一層的頂部，以進行下一個掃描周期。逐層重復(fù)此過程，直到完成零件。

Wozniak等人開發(fā)了用于立體光刻工藝的UV固化透明SiO2納米分散體。選擇五種類型的單體（即4HBA、HEA、丙烯酸丁酯、M200和M282PEGDA），其折射率接近SiO2，以最大限度地減小范德華吸引力。制備了在不同單體中包含10%（體積）至40%（體積）的SiO2納米粉（40—80nm）的納米分散體，所獲得的納米分散體的黏度適合于立體光刻[3]。

3 熔融沉積建模（FDM）

熔融沉積建模是通過連續(xù)的細絲來沉積零件。沉積的材料包括聚碳酸酯（PC）、丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）、聚苯砜（PPSF）、PCABS共混物和PCISO107。

Shofner等人通過FDM制備納米纖維增強的聚合物納米復(fù)合材料。使用熱壓機將平均直徑為100nm，長度為100μm的氣相生長碳纖維（VGCF）與丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）共聚物混合，并進一步造粒，以制成長絲擠出原料。絲的公稱直徑為1.7mm。VGCFs均勻分散在基體內(nèi)，與純ABS沉積零件相比，復(fù)合材料的機械性能（例如拉伸試驗、動態(tài)模量）平均提高了39%和60%。

4 選擇性激光燒結(jié)（SLS）

激光束用于選擇性地將熱熔性粉末熔合成固體物體。激光可以從一個CAD模型中跟蹤圖案，并熔合圖案的第一層。平臺進一步精確地降低一定高度，以便可以重新應(yīng)用以下第二粉末層。對后續(xù)層重復(fù)該過程直到零件完全制作完成。各種各樣的粉狀材料可用于包括塑料、金屬、金屬合金、高分子金屬材料和金屬組合的工藝還有陶瓷。

Kim等人研究了黏土納米顆粒對材料熱物理性能的影響，SLS加工用聚合物納米復(fù)合粉體的力學(xué)性能。納米復(fù)合材料的聚合物基體為純聚酰胺6（N6），增強后的納米顆粒為質(zhì)量分數(shù)為5%的黏土納米顆粒。加入黏土納米顆粒后，由于增加了黏土聚合物鏈，燒結(jié)熔融和熱結(jié)晶值增加互動。納米復(fù)合材料的熔體流動特性表現(xiàn)出比純N6更高的MFI值，說明納米復(fù)合材料在引入納米顆粒后表現(xiàn)出更高的黏度。

5 選擇性激光熔化（SLM）

SLM是利用移動的高能激光加熱源逐層制造零件的附加制造工藝之一。安裝在平臺上的薄金屬粉末層被選擇性地熔化，并且隨后的粉末層被放置在第一層的頂部，然后再次被激光熔化，重復(fù)該過程直到對象完成。

Gu等人實驗研究了原位生成的TiC納米粒子增強TiAl基納米復(fù)合材料的制備及微觀結(jié)構(gòu)表征。采用高能球磨法制備了超細粉體的納米復(fù)合粉體。對厚度為0.15mm的納米復(fù)合粉體進行了深加工，激光處理后形成TiAl3和Ti3AlC2。Li等人利用SLM制備了AlSi10Mg增強TiB2納米粒子。納米復(fù)合材料展現(xiàn)了良好的機械性能。

6 展望

激光增材制造技術(shù)的主要優(yōu)點是能夠創(chuàng)建傳統(tǒng)制造工藝無法形成的復(fù)雜幾何圖形，從工業(yè)的角度來看，單個部件通常在不同的工廠用特殊的工具制造，然后運到裝配現(xiàn)場。有了激光增材制造技術(shù)，零件就不需要專門的工具，可以在現(xiàn)場生產(chǎn)零件，消除了對供應(yīng)鏈的需求，同時減少了每個部件的部件數(shù)量和裝配需求。

參考文獻：

[1]白亮，陳東，馬乃恒，等.原位生成TiB2/6351復(fù)合材料的組織和性能[J].熱加工工藝，2007，36（12）：3033.

[2]李素麗.不同金屬3D打印增材制造技術(shù)對比分析[J].中國鑄造裝備與技術(shù)，2016（06）：68.

[3]晁艷普，齊樂華，羅俊，等.金屬熔滴沉積制造中STL模型切片輪廓數(shù)據(jù)的獲取與試驗驗證[J].中國機械工程，2009，22：27012705.

作者簡介：劉曉飛（1979—），女，吉林延邊人，碩士，工程師，研究方向：激光增材制造技術(shù)。