增材制造技術(shù)具有高精度、高靈活性和復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造的顯著優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛地應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、汽車和模具等眾多產(chǎn)業(yè)。但材料的特性和最終制品的機(jī)械性能對(duì)于增材制造技術(shù)能否順利應(yīng)用具有重要意義。不同適用材料印刷時(shí)會(huì)表現(xiàn)出不同的性能與需求，這對(duì)于產(chǎn)品的質(zhì)量與性能都有直接影響。

所以，對(duì)增材制造適用材料和產(chǎn)品機(jī)械性能進(jìn)行深入的研究是有實(shí)際意義的。

1、增材制造的適用材料

增材制造，也就是 3D 打印技術(shù)，是一種依賴于數(shù)字化模型，通過逐層堆疊材料來生產(chǎn)物體的方法。

該工藝的開發(fā)大大拓寬了材料應(yīng)用的領(lǐng)域，適合增材制造使用的材料品種豐富多彩，涉及金屬、高分子、陶瓷及復(fù)合材料等眾多門類[1]。

金屬材料對(duì)增材制造起著至關(guān)重要的作用。如鈦合金、鋁合金、不銹鋼以及鎳基合金，這些合金由于其本身具有強(qiáng)度高、耐腐蝕性好以及熱穩(wěn)定性優(yōu)良的特點(diǎn)而在航空航天、汽車制造以及醫(yī)療器械等高端領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。比如鈦合金由于具有重量輕、強(qiáng)度大以及良好的生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，常被用來制作航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件以及人工關(guān)節(jié)等；鋁合金因其低密度和易于加工的特性，在汽車的輕量化設(shè)計(jì)過程中起到了至關(guān)重要的作用。高分子材料還廣泛用于增材制造。常見的材料包括塑料類的丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯共聚物（ABS）、聚乳酸（PLA）、聚碳酸酯（PC）等，還有橡膠類的材料。ABS 強(qiáng)度高，韌性好，便于打印成型，常用來制造模型、玩具等；PLA 作為生物可降解材料具有優(yōu)越的環(huán)保性能，在食品包裝和醫(yī)療用品中經(jīng)常被用于 3D 打印；PC 擁有高度的透明性、出色的強(qiáng)度以及對(duì)高溫的耐受性，這使其成為制作光學(xué)設(shè)備和電子產(chǎn)品外殼的理想選擇。

陶瓷材料因具有高硬度、耐高溫和耐腐蝕的性能而逐漸在增材制造領(lǐng)域脫穎而出。例如氧化鋁陶瓷和氧化鋯陶瓷主要用于航空航天、電子和生物醫(yī)學(xué)。如氧化鋁陶瓷可用來制造發(fā)動(dòng)機(jī)耐高溫部件、氧化鋯陶瓷因具有生物相容性好、機(jī)械性能好等優(yōu)點(diǎn)常被用來制造牙科修復(fù)體等。

復(fù)合材料是指將兩種或者多種不同性能的材料采用物理或者化學(xué)方法進(jìn)行復(fù)合而形成的，其在增材制造方面表現(xiàn)出了特有的優(yōu)越性能。在復(fù)合材料增材制造領(lǐng)域，常見的類型包括連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料等。連續(xù)纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料能有效地提升材料的機(jī)械強(qiáng)度和剛性，因此在航空航天和體育設(shè)備等多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用；顆粒強(qiáng)化的復(fù)合材料有助于增強(qiáng)材料的耐磨、導(dǎo)電等特性，并在電子和機(jī)械等領(lǐng)域得到應(yīng)用。伴隨著增材制造技術(shù)不斷進(jìn)步，適用材料類型也在不斷擴(kuò)大，這給各個(gè)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展帶來了較大的可能性。

2、增材制造適用材料及產(chǎn)品機(jī)械性能的分析

2.1 增材制造用金屬材料的性能剖析

增材制造應(yīng)用材料產(chǎn)品機(jī)械性能作為應(yīng)用價(jià)值關(guān)鍵指標(biāo)，增材制造之后不同種類材料表現(xiàn)出特有的機(jī)械性能特征，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量及應(yīng)用領(lǐng)域有直接影響，如圖 1 所示。

從微觀上看，增材制造特有的逐層堆積成型使金屬材料內(nèi)晶粒結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)制造工藝。以鈦合金為研究對(duì)象，在激光選區(qū)熔化增材的制造過程中，由于快速的加熱和冷卻速度，晶粒得以細(xì)化，從而形成了細(xì)小且均勻分布的等軸晶結(jié)構(gòu)。這種獨(dú)特的微觀構(gòu)造為材料提供了更高的強(qiáng)度和硬度，與傳統(tǒng)的鍛造鈦合金相比，屈服和抗拉強(qiáng)度可以增加10%-20%。同時(shí)由于增材制造可以準(zhǔn)確地控制其成分分布，并將微量元素強(qiáng)化相引入合金，以進(jìn)一步提高其強(qiáng)度與韌性[2]。在宏觀性能上增材制造金屬材料延展性不同于傳統(tǒng)工藝制造，在部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜的金屬零件生產(chǎn)中，增材制造時(shí)應(yīng)力分布不均會(huì)造成零件部分方向延展性下降。但通過對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，例如調(diào)節(jié)激光功率，掃描速度以及掃描策略都能有效地改善應(yīng)力分布并增加部件延展性。另外，增材制造金屬材料疲勞性能亦是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。循環(huán)載荷下增材制造金屬零件疲勞壽命會(huì)受到內(nèi)部缺陷和表面粗糙度的影響。采用后續(xù)熱等靜壓處理、表面拋光等后處理工藝可消除內(nèi)部缺陷、減小表面粗糙度、顯著改善零件疲勞壽命，使之能適應(yīng)航空航天及其他高可靠性要求方面的使用。

2.2 高分子材料增材后的機(jī)械特性

高分子材料在增材制造過程中，機(jī)械特性表現(xiàn)出了復(fù)雜的變化規(guī)律。就拉伸性能而言，就普通 PLA材料而言，增材制造中層間結(jié)合質(zhì)量對(duì)于拉伸強(qiáng)度有顯著影響。在合理設(shè)定打印參數(shù)，例如適當(dāng)升高打印溫度，優(yōu)化填充率及層厚等情況下，層間結(jié)合力得到加強(qiáng)，拉伸強(qiáng)度可以接近乃至超越常規(guī)注塑成型PLA 材料。但若層間結(jié)合不佳，則受拉時(shí)裂紋易沿著層間界面延伸，造成受拉強(qiáng)度顯著下降[3]。高分子材料增材時(shí)彎曲性能有獨(dú)特的體現(xiàn)。以 ABS 材料為例，在增材制造完成后，在打印方向上，由于分子鏈的取向，其彎曲模量可以達(dá)到 2000-2500MPa 的范圍；而垂直于打印方向的彎曲模量只有 1500-1800MPa。通過調(diào)整打印路徑和優(yōu)化材料配方，例如添加 5%-10%的增韌劑或 10%-15%的增強(qiáng)纖維，可以增強(qiáng)材料的各向異性，從而使垂直方向的彎曲模量提高 10%-20%，另外增材制造還改變了高分子材料的沖擊韌性，在某些橡膠改性高分子材料的增材制造過程中，當(dāng)橡膠相在基體界面上以 1-3μm 的粒徑均勻分布，并且與基體的粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到 10-15N/mm 時(shí)，材料的沖擊韌性可以從原先的 5-8kJ/m2 增加到 12-15kJ/m2,這大大增強(qiáng)了材料對(duì)沖擊載荷的抵抗力，能夠很好地滿足汽車內(nèi)部裝飾和運(yùn)動(dòng)設(shè)備對(duì)材料沖擊性能的需求。

2.3 陶瓷材料增材制造的表現(xiàn)及困難

陶瓷材料增材制造在性能方面有其特有的優(yōu)勢，同時(shí)又面臨著許多困難。在性能上，增材制造陶瓷材料維持傳統(tǒng)陶瓷高硬度、耐高溫和耐腐蝕等特點(diǎn)。以氧化鋯陶瓷為例，其增材制造后維氏硬度可達(dá)到12 - 15GPa，能在高溫環(huán)境中保持穩(wěn)定力學(xué)性能，適合用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件制造。但陶瓷材料自身的脆性問題在增材制造中更加突出。由于陶瓷材料層間結(jié)合以燒結(jié)作用為主，因此層間結(jié)合強(qiáng)度比較低，受外力時(shí)易沿層間界面脆性斷裂。增材制造中陶瓷材料致密度問題同樣是一個(gè)關(guān)鍵難題，傳統(tǒng)陶瓷制造工藝采用高溫?zé)�結(jié)等方法可得到致密度高的陶瓷制品。但是，在增材制造過程中，由于在打印階段氣孔和裂紋等缺陷很難完全消除，這導(dǎo)致增材制造的陶瓷材料的致密性相對(duì)較低，通常在 90%-95%的范圍內(nèi)。例如，氧化鋁陶瓷增材在制造后的致密性通常約為 92%，這導(dǎo)致其抗彎能力僅在 200-300MPa 范圍內(nèi)，維氏硬度大約在 12-15GPa 之間，同時(shí)其耐腐蝕性能也有明顯的下降。為了解決上述困難，研究人員采用光固化 3D 打印和高溫脫脂燒結(jié)工藝相結(jié)合的方法，在光固化過程中實(shí)現(xiàn)了曝光時(shí)間 2-3s/層的精確控制、在樹脂中，陶瓷顆粒的含量介于 50%-60%之間，經(jīng)過 1500-1600°C 的高溫脫脂燒結(jié)處理后，其性能得到了顯著的提升。

2.4 影響復(fù)合材料增材性能的因素

復(fù)合材料的增材性能受很多因素的影響，比如增強(qiáng)相類型及含量，在制造連續(xù)纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料增材過程中，纖維種類，例如碳纖維和玻璃纖維，對(duì)材料的性質(zhì)有著決定性的影響。碳纖維因其高強(qiáng)度和高模量的屬性，在復(fù)合材料增材制造過程中加入碳纖維后，其拉伸強(qiáng)度和彎曲模量都能得到顯著的提升。以碳纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料為例，當(dāng)碳纖維的含量達(dá)到 60%時(shí)，其拉伸強(qiáng)度可以超過1500MPa,而彎曲模量可以超過 100GPa,這使其在航空航天結(jié)構(gòu)件制造中得到了廣泛的應(yīng)用。但纖維含量過高也會(huì)使材料流動(dòng)性惡化，從而影響打印成型質(zhì)量，這也是在今后工作中需要特別注意的問題。

3、結(jié)束語

文中綜合論述了增材制造適用材料和產(chǎn)品機(jī)械性能，并分析了幾種材料的性能以及打印過程中力學(xué)性能的變化，以及促進(jìn)產(chǎn)品機(jī)械性能改善的有效途徑與策略。在增材制造技術(shù)日益發(fā)展與革新的背景下，今后對(duì)這一領(lǐng)域的研究也會(huì)越來越深入，對(duì)促進(jìn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)也會(huì)提供更為強(qiáng)大的支撐，擴(kuò)大它在更加復(fù)雜和高要求的領(lǐng)域中的潛在應(yīng)用范圍，使制造行業(yè)智能化和高性能化。

參考文獻(xiàn)

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