增材制造适用材料及产品机械性能研究

增材制造适用材料及产品机械性能研究

发表时间：2019-11-26T11:18:57.440Z 来源：《中国西部科技》2019年第21期作者：刘鑫[导读] 随着我国的经济在快速的发展，社会在不断的进步，对增材制造技术原理和特点进行了介绍，从非金属和金属两方面对增材制造适用材料及其产品机械性能进行了研究，并分析了增材制造产品机械性能变化原因，同时提出了改进机械性能的方法。

刘鑫

深圳奥郎格环保有限公司

摘要：随着我国的经济在快速的发展，社会在不断的进步，对增材制造技术原理和特点进行了介绍，从非金属和金属两方面对增材制造适用材料及其产品机械性能进行了研究，并分析了增材制造产品机械性能变化原因，同时提出了改进机械性能的方法。

关键词：增材制造；材料；产品；性能

引言

超材料（metamaterial）是一类新型的人工合成的、具有特定物理性质的材料，通常是由周期性或非周期性的人工微结构排列而成，具有天然材料所不具备的奇特物理性质。隐身超材料主要分为两类：一类是电磁波隐身超材料，另一类是声波隐身超材料。电磁波隐身超材料通过吸收电磁波并将其转化成其他形式的能量耗散掉，可实现目标对电磁波的吸波隐身；通过控制电磁波绕过目标物体而不产生散射，可实现目标对电磁波的透波隐身。声波隐身超材料通过材料和结构设计引导声波/弹性波按照预设方式传播，是声波/弹性波等领域设计的基矗与传统已知材料性质分布求波传播轨迹不同，电磁/声学隐身功能调控是已知波传播的轨迹而反求所需要的材料和结构形式。隐身超材料通过微结构设计来实现隐身功能，在航空航天等领域具有潜在的应用价值：一方面通过结构设计达到隐身效果，从而实现反侦察的功能；另一方面，微结构属于多孔结构，可实现飞行器的轻量化设计。

1增材制造技术原理

起源于20世纪90年代的增材制造技术，被美国材料与试验协会（ASTM）定义为，基于计算机辅助设计的模型数据，通过分层叠加材料的方式来制造产品的技术。增材制造技术具有仿真性强、效率高、成本低、操作简单等优点，涉及三维建模、测量、接口软件、数控、精密机械、激光、材料等多种学科。增材制造的过程如图1所示。随着增材制造可用材料及工艺的不断深入研究，呈现出多种成熟且得到广泛应用的增材制造技术，常见的有直接金属激光烧结（DMLS）技术、电子束熔融（EBM）技术、激光选区熔化（SLM）技术、选择性激光烧结（SLS）技术、激光立体成型（LSF）技术、电子束自由制造（EBF3）技术、熔融沉积成型（FDM）技术、光固化立体成型（SLA）技术、分层实体制造（LOM）技术等。各种常见增材制造技术的成型原理。

2增材制造技术适用材料及产品机械性能

2.1后处理技术

金属增材制造材料在特殊的条件下进行快速制造经常致材料内部存在微孔洞和较大的残余应力，同时，熔化道和熔池的存在，使所制备的材料同样存在明显的中尺度结构，这使得所制备出的材料的性能存在明显的各向异性。工艺参数的优化过程较为复杂，需要进行大量的试验摸索，也仅有少量材料体系得到了证实，因此，科研工作者通过选择相对较优参数制备所需材料后，会采用传统的后处理技术对所制备材料进行去应力和均匀化处理，以提高材料的性能。其中，后处理技术除了金属热处理领域传统的淬火、回火、退火、正火外，还包括热等静压（HIP）处理、表面热处理以及化学热处理等。传统热处理改性技术在各材料体系中都较成熟，也为增材制造材料的改性提供了一定的理论依据。因此，在金属增材制造领域，通常采用"工艺参数优化+后处理改性"技术来改善材料组织和性能。

2.2 隐身超材料的制备工艺

用于电磁隐身的超材料根据材料的构成可分为谐振型与非谐振型超材料（包括金属非谐振型与全介质超材料）。金属谐振型与金属非谐振型超材料都是由金属与介质构成，只是二者工作的频率不同。用于声学隐身的超材料主要分为惯性声隐身和五模声隐身两种。惯性声隐身超材料具有各向异性的体密度与各向同性的弹性模量，由于极点的存在难以实现三维惯性声隐身，五模声隐身超材料具有各向同性的体密度和各向异性的弹性模量，无论是理论上还是实际应用上都能够实现宽频、全角度、轻质的要求，因而五模声隐身超材料具有更为广泛的应用前景。现有制造隐身超材料的传统工艺方法有印刷电路板法、刻蚀法、机械加工法。印刷电路板法可用于制备金属谐振型与金属非谐振型隐身超材料，如东南大学的崔铁军课题组制造的电磁黑洞中的非谐振型超材料外壳与谐振型超材料内核都是采用电路板雕刻机制造而成，但印刷电路板的方法中刻蚀铜液对环境会造成污染，且大多只能制造二维平面超材料，限制了超材料在三维空间中的应用。刻蚀法包括光刻蚀，电子束刻蚀等，光刻蚀工艺是将光敏高分子制成一定图形的抗蚀性膜，再用化学或电化学方法进行腐蚀或电镀的加工工艺。如Landy等制造的具有极化不敏感特性的中心对称超材料吸波体，就是采用了标准负片光刻技术制造而成。电子束刻蚀指的是在计算机控制下，按照加工要求的图形，利用聚焦后的电子束对基片上的抗蚀剂进行曝光，在抗蚀剂中产生具有不同溶解性能的区域，根据不同区域的溶解特性，利用具有选择性的显影剂进行显影，溶解性强的抗蚀剂部分被去除，溶解性差或不溶的部分保留下来，从而得到所需要的抗蚀剂图形，如Wang等制造的宽频吸波超材料则是采用电子束刻蚀加工而成；但是刻蚀技术的成本较高，且不适合大尺寸超材料的制造，限制了超材料的广泛应用。

2.3非金属材料

为了改进增材制造产品的质量及机械性能，许多研究者对成型过程及材料进行了研究，以期促进增材制造产品机械性能的改进。比如，在ABS塑料中加入填充材料，或对该材料进行共混改性，以提高产品的力学性能。将含有10％气相生长碳纤维增强的ABS塑料作为增材制造中的耗材，其产品的拉伸强度和拉伸弹性模量比普通ABS塑料有较大提高。通过优化连续本体法制备了具有成本低、热稳定性好、抗冲击性能好等优点的新型ABS塑料。通过材料熔融共混的方式也能改善增材制造成型件的机械性能。将不同苯乙烯类嵌段共聚物与ABS 塑料进行熔融共混，获得适合增材制造的新ABS功能材料，结果表明，低频下熔体强度升高。ABS塑料中加入苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物，可以使ABS塑料韧性提高。另外，成型件的强度及刚度会随填充率的增大而提高，并且同心线填充的试件，其抗拉强度和断裂伸长率最大。对于刚度而言，直线填充件的刚度优于同心线和格子形填充件的刚度。采用FDM技术研究填充密度对成型件机械性能的影响，结果表明随着填充密度的增大，成型件的弯曲强度和冲击强度随之提高。聚碳酸酯（PC）丝材的力学强度高于ABS塑料，可利用PC丝材与其它树脂共混的方法来提高材料的性价比。