增材制造適用材料及產品機械性能研究

劉 森

（江蘇安全技術職業學院，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，增材制造技術一經提出就受到各個領域的廣泛關注，目前市面上已經可以見到由增材制造而生產的多種產品，如大家經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的優秀成果。增材制造推動了傳統的制作工藝逐步升級，呈現出極大的應用優勢，但是我們對增材制造技術的研究時間還比較短，雖然取得了一些卓越成果，但是在實踐應用的過程中增材制造的創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生形變，這些都影響了產品使用范圍的進一步拓展。所以在實踐應用的過程中，我們還需要繼續對增材制造技術進行研究，并探索如何更好地推進增材制造技術不斷優化升級。

1 增材制造技術的原理分析

增材制造技術是由美國材料和實驗協會提出并加以定義，將其描述為：基于計算機輔助設計的數據模型，通過分層疊加材料的方式，來完成產品制造的相關技術。增材制造技術可以將概念設計與產品模型有機結合在一起，通過有效的加工過程來設計產品，從而使制作出的產品具有多種優勢，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，其中有很多技術手段已經發展的非常成熟，使得增材制造的應用范圍被極大地拓寬。目前國內外常見的增材制造加工技術包括以下幾種：金屬激光燒結（DMLS）技術、電子束熔融（EBM）技術、激光選區熔化（SLM）技術、選擇性激光燒結（SLS）技術、激光立體成型（LSF）技術、電子束自由制造（EBF3）技術、熔融沉積成型（FDM）技術、光固化立體成型（SLA）技術、分層實體制造（LOM）技術等。

這幾類技術的成型原理各不相同，所用的材料也有一定的區別，使得制作而成的產品在工藝特點方面也呈現出一定的差異性。以金屬激光燒結技術為例，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，再把燒結金屬粉末逐層疊加，最后可以形成一些材質緊密的實體零件。用這類技術加工而成的零件，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，所以這類技術當前應用的范圍很廣。但是這一技術也有缺點，就是成型機的密度稍有欠缺，表面質量也稍差一些，需要進一步進行后期的加工和處理。

電子束熔融技術也是金屬加工的一類常用技術，即用電子光束在真空環境下掃描機器內置真空環境下的粉末，將粉末融化后再用逐層熔化的技術進行型材的疊加。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。這類技術目前應用非常廣泛，它加工而成的零部件無需后處理，而且材料利用率非常高，結構本身的機械強度很大，質量也比較輕。

選擇性激光燒結技術主要適用材質為一些熱塑性塑料、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在一起，在冷卻以后形成一些成型的結構。這項技術的集成度非常高，而且生產的周期短，應用范圍也非常廣。不過這類技術加工而成的產品極易變形，后處理實施比較困難。在一些產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，形成一些液態光敏聚合物，再將其固化物堆積直至成型。這類技術的產品成型度非常高，成型尺寸也比較大，表面質量非常好，而且加工的速度非?？?。缺點是產品的強度和韌性方面比較差，不適合高強度加工件使用。

2 增材制造技術的材料分類

增材制造技術目前的應用范圍被極大地拓寬，加工而成的產品也多種多樣，但是不同增材制造技術使用材料略有差別，所加工而成的成型產品的機械性能也有一定的差異性。根據適用材料的不同，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，這類材料的發展和應用也非常迅速。高分子材料還可以與陶瓷、玻璃、金屬粉末纖維等復合而成。一些新的材料不僅使得增材制造技術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越。如水凝膠，它的力學性質與人體的軟組織類似，因此在醫學領域有很強的應用空間。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、光固化立體成型技術、分層實體制造技術、選擇性激光燒結技術等來進行加工，進而生產出更多的新型復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品的制作工藝掌握比較成熟，對于產品的各類機械性能也進行了數據采樣。例如，人們研究發現，借助熔融沉積成型技術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過固化立體成型處理后，其拉伸強度可超過41MPa，經過增材制造技術處理之后，獲得的機械性能遠優于原材料，其柔韌性也非常好，因此增材制造技術為新材料的研發拓寬了路徑，很好地提升了產品的綜合性能，可以結合目標應用進行多領域新型材料的研發，并能夠將各種材料的優勢有效結合，進而制造出一些性能更優的傳統素材替代品。

2.2 金屬材料

人們對增材制造技術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。與傳統的制造零件相比，以增材制造技術來進行零部件加工，其機械性能表現出了一些顯著變化。其中很多材料經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設備。比如18Ni300模具鋼圍里借助激光選區熔化技術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，不過材質本身的塑性有所降低。而CoCrMo材料經激光選區熔化技術處理后，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，目前人們已經探索借助激光立體成型技術與傳統的鑄造技術相結合，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應用過程中極易出現孔隙，使得材料的延伸率會有所降低，這也是后續需要突破的一項重點難點。

3 增材制造類產品機械性能出現變化的原因分析

增材制造技術作為一項新型的產品加工工藝與傳統制造技術和制造工藝相比有多方面的優勢，但是由增材制造技術加工而成的很多產品機械性能也產生了一些變化。如材質的機械穩定性降低、延展性變差、韌性降低等。增材制造技術設計的工藝步驟相對比較繁瑣，其中有很多需要進行反復的高溫冷卻操作，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產品的性能。尤其是在增材制造產品過程中存在填充率變化的問題，使得一些材料易出現球化現象，導致燒結層縫隙的出現，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。對于增材制造技術而言，外形小，而大小一致的粉末應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生過熱的現象，過熱可能導致溶池內已經融化的金屬流動狀態發生變化，使得材料內部的介質分布不均勻。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。在熱處理技術過程中，一些已經成型的部分要多次進行退火、回火的處理，使得材料的殘余應力會產生變化，在微觀結構上出現一定的差異性。材料內部微孔特征、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，使得增材制造技術加工而成的產品力學性能會產生多種變化。

4 增材制造技術產品性能提升的方法分析

4.1 非金屬材料

在對增材制造技術進行研究的過程中，人們對于產品的質量和機械性能的關注度非常高，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，發現了一些復合技術可以更好地改善產品的機械性能。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，發現可以使材質的強度大大提升。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用范圍。增材制造在光敏樹脂類材料的應用成為了一項熱點。目前人們已經研究通過加入引發劑等，發現其力學性能可以得到較好的優化。同時用光敏樹脂和適當的引發劑共混制作了一種新型的樹脂，與傳統材料相比，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品，體積收縮率和膨脹系數都有所降低，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。例如人們研究發現，通過激光選區融化技術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合材料。另外采用激光熔化沉積技術制備增材復合材料時，增強相體積分數為9%的時候，復合材料表現出的力學性能最優。有學者研究了稀土氧化物La2O3在WC-10Co顆粒增強銅基復合材料中的添加，研究發現，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整，可以更好地避免球化現象或翹曲變形的發生，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，其內部力學性能的影響往往會使產品的機械性能大幅提升，而從力學角度來分析其內部應力結果對于整個成型件的強度和剛度會產生諸多影響。要讓成型件的強度和剛度滿足實際的應用要求，還必須要探索加入一些復合材質，這樣才可以更好地實現增材制造產品綜合性能的提升。

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