深度：功能梯度增材制造綜述
時間：2022-01-30 09:56 來源：江蘇激光聯盟 作者：admin 閱讀：次
導讀：本文介紹了對FGAM概念的最新理解，涵蓋了能夠生產FGAM部件的現有技術的概述，并確定了當前技術的局限性和挑戰。
功能梯度增材制造(FGAM)是一種逐層制造工藝，涉及到在一個組件內逐步改變材料組織，以實現預期的功能。FGAM通過將性能驅動的功能直接嵌入材料中，實現了從外形建模到性能建模的根本性轉變。FGAM可以戰略性地控制復合材料的密度和孔隙率，或者可以將不同的材料組合在一起，形成無縫整體結構。本文介紹了對FGAM概念的最新理解，涵蓋了能夠生產FGAM部件的現有技術的概述，并確定了當前技術的局限性和挑戰。本文提出了克服這些障礙的可能策略，并對未來的設計機會提出了建議。
1. 介紹和定義
功能梯度材料(fgf)是一類先進的材料，其特征是在整個體量中組成的空間變化，有助于材料性能的相應變化，符合功能要求。部件的多功能狀態是通過微結構的材料配置來定制的，以滿足預期的性能要求。組織級配有助于材料性能之間的平穩過渡。
上圖顯示了金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)在半絕緣GaAs上生長的晶圓的層結構。在緩沖層生長后，將Al0.3Ga0.7As在57 nm處進行晶格匹配生長，并在2.5×1012 cm−2處摻雜p型三角形碳。然后，AlGaAs的間隔層與窄帶隙In0.2Ga0.8As的8 nm層形成異質結。帶偏移使受體摻雜物產生的空穴氣體在生長方向上不運動，但載流子可以自由地在其他兩個維度上移動，從而產生2DHG。A109.4-nm砷化鎵層上生長InGaAs吸收光和激發產生的2 d水庫與運營商,后跟一個5-nm AlGaAs間隔和56.4 nm AlGaAs n型層與Si delta-doped 6×1012厘米−2摻雜劑密度,為了產生一個二維電子氣在這個界面。此外，為了進行比較，我們制作了幾何相同的器件，包括單一的2DEG或2DHG層，未摻雜的常規結構，沒有二維電荷儲層，以及15對GaAs/AlGaAs晶圓，它們形成了830 nm波長的布拉格鏡，也生長以產生共振腔增強(RCE)結構
增材制造(AM)是一種固體自由制造技術，通過在設計領域內將材料精確放置在指定位置，可以直接制造出精細的定制組件。多年來，由于可制造性的提高，AM技術已經從制造一次性原型擴展到制造全尺寸的最終用途部件。如今的AM系統的技術進步使得FGM的使用成為可能，從而產生了“功能梯度增材制造”(FGM)這一術語，它是一種逐層制造技術，涉及到在一個組件中逐步改變材料組織，以滿足預期的功能。
FGAM是一種以材料為中心的制造過程，建立了從外形建模到性能建模的根本性轉變。隨著AM技術的發展，可以在復雜的三維分布中戰略性地控制材料沉積的密度和方向性，也可以通過改變沉積密度和方向性來將各種材料組合成無縫的整體結構。FGAM可實現的潛在微觀結構梯度成分可分為3種類型:(a)均勻成分內的變致密化;(b)通過漸進過渡同時結合兩種或多種材料而形成的異質成分;以及(c)在異質成分中使用可變致密化的組合。
1．1. 均質成分
1.1.1 單一材料FGAM
均勻的FGAM成分通過體素方法有策略地調節空間微結構或晶格結構的形態，從而產生孔隙度或密度梯度。這種方法稱為變密度FGAM。在單片各向異性復合結構中，材料物質的方向性、大小和密度濃度會導致剛度和彈性等功能偏差(圖1)。
FGAM可以是一種受生物啟發的快速制造，模仿在自然界中發現的材料結構，如棕櫚樹的徑向密度梯度，骨的海綿狀小梁結構或肌肉的組織變化。不同密度的FGAM可以通過調整晶格排列和改變支柱幾何形狀來保持結構強度，但同時也減少了整體重量，從而實現輕量化結構。這可以在圖2中舉例說明，其中使用改進的3D打印機制作的3D打印混凝土，展示了棕櫚樹細胞結構的徑向密度梯度概念。從堅固的外部到多孔核心的逐漸過渡導致了優異的強度與重量比，使混凝土更輕、更高效、更強。
1.2 異構的成分
1.2.1 多材料FGAM
FGAM通過一種動態組合梯度或復雜形態的方法來解決多重材料方面的問題。階段的幾何和材料安排控制了FGAM組件的整體功能和性能。多材料FGAM尋求改善不同或不相容材料之間的界面結合(圖3b)。不同的邊界可以通過從分散到相互連接的第二相結構的非均勻成分過渡、離散成分參數分層分級或光滑濃度梯度去除。這樣可以避免傳統的多材料增材制造過程中由于材料性能的離散變化而導致的常見故障，如分層、裂紋等(圖3a)。在臨界位置采用不同的膨脹系數可以大大降低材料的面內應力和橫向應力，同時可以改善和提高材料的殘余應力分布
通過融合使用動態梯度材料到另一個材料規整,打印組件可以有兩種材料的最優屬性(圖4)。它可以過渡在體重,但其韌性,耐磨性,耐沖擊或其物理、化學或生物化學或機械性能。材料的非均質混合物不再需要在其固有性質上妥協，以實現理想的成分性質。多材料FGAM還可以在小截面或預先確定的零件周圍的戰略位置上提供特定位置的性能。
圖5展示了在Multi-material FGAM中，材料從一端的0%到另一端的100%之間的平滑無縫過渡。三維空間內的連續變化可以通過控制兩種或更多材料在沉積和固化之前的混合比例來實現。然而，組成的變化必須由計算機程序控制。Vaezi也認為，沉積或凝固前預混合或復合的原料不應被視為多材料FGAM。
異質成分梯度的設計可以分為4種類型:2種材料之間的過渡(圖6)、3種或以上材料之間的過渡(圖7)、不同位置之間的切換成分(圖8)或密度和成分梯度的組合(圖9)。
FGAM的關鍵設計參數包括梯度矢量的維數、幾何形狀和等勢面的重新劃分。組件的特征和功能進一步由組成中的梯度方向決定。體積梯度的設計和類型可按圖10所示的1D、2D和3D進行分類，并可將材料均勻分布或通過特殊圖案分布。
2. FGAM的設計與建模
FGAM的使用要求基于三聯“材料-產品-制造”方法對刀具路徑進行良好的控制。FGAM的制造過程與AM工作流程相對類似，從使用CAD生成實體模型、切片、將CAD文件轉換為。STL或適當的數據交換文件格式，驗證STL數據，確定最佳方向，支持生成，工具路徑定義，制造和后處理。然而，關鍵的區別在于，FGAM對材料屬性和設計組件中每個體素的行為的描述和分配具有更高的優先級(圖11，表1)。
3.材料描述的局限性
在幾何信息的基礎上表示材料對于單材料和多材料FGAM都具有重要意義。定義最佳材料分布函數需要廣泛的材料數據知識，包括化學成分、其特征和制造約束。AM的材料選擇仍然普遍受到限制。目前，對于材料相容性、性質可變、非均勻材料的混合范圍沒有設計指導方針，缺乏空間選擇、梯度分布、過渡階段安排等最優性質分布框架。例如，梯度的設計和過渡階段的安排還沒有完全了解，只有很少的商業軟件存在，可以模擬梯度的設計，如AutoDesk Monolith，這是一個基于體素的多材料3D打印建模引擎。因此，沒有材料科學背景的設計師或工程師很難充分利用FGAM的潛力。
在制備高強度或低強度的梯度材料時，必須仔細測量和量化微觀結構的改變所帶來的材料性能的變化。T-Williams提出了兩種有用的方法，利用理想指數律和材料元素“Maxels”對功能梯度構件的響應進行建模。分析的有限元方法(FEM)也可以用來顯示和建議在預先確定的情況下的一組優化的元素，以提供更好的理解材料性能將如何表現(如ABAQUS)。理解FGAM產生的預測組件和實際組件之間的差異是至關重要的。由于不同材料在不同操作條件下相互作用的可變性，制造部件的化學成分及其材料特性的分布可能會偏離實際生產材料。例如，物理和技術因素，如凝固過程中溶質的宏觀偏析和不良的過程控制，可以導致變化的公差和劣質零件被生產。這可以通過在構建過程中進行原位監控來減少。設計規則和方法，通過了解所需的性能混合，所需的相安排，和材料的兼容性，必須建立，以避免不良的結果。
“加工-結構-性能”關系的知識可以通過共享數據庫材料性能信息目錄獲得。Bashayam建議，應該建立包括材料組成、功能和應用在內的信息，以幫助設計師根據其設計中的拓撲和幾何變化來選擇理想的材料組成。Comotti還建議將“功能-行為-結構”FBS本體應用到模型中，通過配方、合成、分析、評價、記錄和重新配方等8個基本步驟計算和預測功能分級構件的行為(圖12)。
4. 當前的FGAM軟件限制
計算機輔助設計中的現代信息技術取得了進步，為3D模型提供了多種文件格式，以便與AM系統進行通信。CAD中常見的4種幾何表示技術包括邊界表示（B-rep）、構造實體幾何（CSG）、空間分解和函數表示（F-rep）。基于B-rep和F-rep的方法表示三維形狀的幾何圖形，而不描述部件的內部結構和材料信息，而并行表示（PR）包括基于空間分解的PR，基于構造實體幾何（CSG）的PR和基于層次結構的PR描述了幾何和材料。
FGAM需要一種新的計算建模方法，它包含自組織的概念。這就需要一種新的計算機輔助工程(CAE)分析方法，能夠指定、建模和管理材料信息，用于局部成分控制(LCC)。必須要有一種切割、分析和制備FGAM的新方法。新的AM軟件流程應該能夠在FGAM模型生成過程中，以邏輯分布的方式戰略性地控制物質的密度、方向性和分配。
Richards首先提出了一個計算方法使用CPPN(組成模式生產網絡)編碼和一個可擴展的算法使用整潔(Neuroevolution增強拓撲)嵌入功能形態和宏觀性質的物理特性使用多材料FGAM通過voxel-by-voxel描述的函數其笛卡爾坐標(x,y,z)(圖13a和b)。
目前，將FGAM的體素模型從常見的幾何格式(即STL文件)轉換為體素模型需要大量的計算，并且很難實現具有高度細化細節的裁剪格。作為一種解決方案，Richard引入了另一種設計支持系統，用體積紋理映射來表示材料-幾何-拓撲。體素模型是通過算法生成的。因此，必要的修改可以手動修改體素，然后編譯回紋理描述，以允許在不同的尺度上進行更改。目前只有很少的軟件開發可以模擬梯度設計，如Autodesk Monolith、Stratasys GrabCAD Voxel Print，這是基于體素的建模引擎，支持多材料FGAM。盡管如此，關于定義宏觀性質的估計，仍然會有很多的遭遇。
AM軟件過程的另一個重要元素是“切片”程序，它支持AM系統的參數化工具路徑和相關命令。需要新的方法來切片、分析和制備用于制造的FGAM組件。Steuben提出了一種基于生成工具路徑的切片算法，這些工具路徑來源于基于啟發式或基于物理的任意場。Hascoet建立了一套數學公式，用于切割四種可能的雙材料梯度類型。每個類型學類都有一個相關的面向零件策略，可以為FGAM實現。Wu提出使用具有幾何約束的材料重取樣(MRGC)，這為切割FGAM零件提供了另一種選擇。
功能梯度增材制造(FGAM)是一種逐層制造工藝，涉及到在一個組件內逐步改變材料組織，以實現預期的功能。FGAM通過將性能驅動的功能直接嵌入材料中，實現了從外形建模到性能建模的根本性轉變。FGAM可以戰略性地控制復合材料的密度和孔隙率，或者可以將不同的材料組合在一起，形成無縫整體結構。本文介紹了對FGAM概念的最新理解，涵蓋了能夠生產FGAM部件的現有技術的概述，并確定了當前技術的局限性和挑戰。本文提出了克服這些障礙的可能策略，并對未來的設計機會提出了建議。
1. 介紹和定義
功能梯度材料(fgf)是一類先進的材料，其特征是在整個體量中組成的空間變化，有助于材料性能的相應變化，符合功能要求。部件的多功能狀態是通過微結構的材料配置來定制的，以滿足預期的性能要求。組織級配有助于材料性能之間的平穩過渡。
(a)頂照光電探測器層結構。調制摻雜產生的二維電子和空穴儲氣層被~110 nm的GaAs吸收光區隔開，并分別接觸。(b)器件中部沿生長方向計算的能帶圖顯示存在較大的垂直電場，以及只能在二維空間內移動的致密電子和空穴氣體。
上圖顯示了金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)在半絕緣GaAs上生長的晶圓的層結構。在緩沖層生長后，將Al0.3Ga0.7As在57 nm處進行晶格匹配生長，并在2.5×1012 cm−2處摻雜p型三角形碳。然后，AlGaAs的間隔層與窄帶隙In0.2Ga0.8As的8 nm層形成異質結。帶偏移使受體摻雜物產生的空穴氣體在生長方向上不運動，但載流子可以自由地在其他兩個維度上移動，從而產生2DHG。A109.4-nm砷化鎵層上生長InGaAs吸收光和激發產生的2 d水庫與運營商,后跟一個5-nm AlGaAs間隔和56.4 nm AlGaAs n型層與Si delta-doped 6×1012厘米−2摻雜劑密度,為了產生一個二維電子氣在這個界面。此外，為了進行比較，我們制作了幾何相同的器件，包括單一的2DEG或2DHG層，未摻雜的常規結構，沒有二維電荷儲層，以及15對GaAs/AlGaAs晶圓，它們形成了830 nm波長的布拉格鏡，也生長以產生共振腔增強(RCE)結構
增材制造(AM)是一種固體自由制造技術，通過在設計領域內將材料精確放置在指定位置，可以直接制造出精細的定制組件。多年來，由于可制造性的提高，AM技術已經從制造一次性原型擴展到制造全尺寸的最終用途部件。如今的AM系統的技術進步使得FGM的使用成為可能，從而產生了“功能梯度增材制造”(FGM)這一術語，它是一種逐層制造技術，涉及到在一個組件中逐步改變材料組織，以滿足預期的功能。
FGAM是一種以材料為中心的制造過程，建立了從外形建模到性能建模的根本性轉變。隨著AM技術的發展，可以在復雜的三維分布中戰略性地控制材料沉積的密度和方向性，也可以通過改變沉積密度和方向性來將各種材料組合成無縫的整體結構。FGAM可實現的潛在微觀結構梯度成分可分為3種類型:(a)均勻成分內的變致密化;(b)通過漸進過渡同時結合兩種或多種材料而形成的異質成分;以及(c)在異質成分中使用可變致密化的組合。
1．1. 均質成分
1.1.1 單一材料FGAM
均勻的FGAM成分通過體素方法有策略地調節空間微結構或晶格結構的形態，從而產生孔隙度或密度梯度。這種方法稱為變密度FGAM。在單片各向異性復合結構中，材料物質的方向性、大小和密度濃度會導致剛度和彈性等功能偏差(圖1)。
圖1 多種多樣的致密化FGAM。
FGAM可以是一種受生物啟發的快速制造，模仿在自然界中發現的材料結構，如棕櫚樹的徑向密度梯度，骨的海綿狀小梁結構或肌肉的組織變化。不同密度的FGAM可以通過調整晶格排列和改變支柱幾何形狀來保持結構強度，但同時也減少了整體重量，從而實現輕量化結構。這可以在圖2中舉例說明，其中使用改進的3D打印機制作的3D打印混凝土，展示了棕櫚樹細胞結構的徑向密度梯度概念。從堅固的外部到多孔核心的逐漸過渡導致了優異的強度與重量比，使混凝土更輕、更高效、更強。
圖2 通過基廷模擬棕櫚樹的徑向密度梯度變化致密化FGAM混凝土。
1.2 異構的成分
1.2.1 多材料FGAM
FGAM通過一種動態組合梯度或復雜形態的方法來解決多重材料方面的問題。階段的幾何和材料安排控制了FGAM組件的整體功能和性能。多材料FGAM尋求改善不同或不相容材料之間的界面結合(圖3b)。不同的邊界可以通過從分散到相互連接的第二相結構的非均勻成分過渡、離散成分參數分層分級或光滑濃度梯度去除。這樣可以避免傳統的多材料增材制造過程中由于材料性能的離散變化而導致的常見故障，如分層、裂紋等(圖3a)。在臨界位置采用不同的膨脹系數可以大大降低材料的面內應力和橫向應力，同時可以改善和提高材料的殘余應力分布
圖3 傳統的多材料增材制造與多材料FGAM。
通過融合使用動態梯度材料到另一個材料規整,打印組件可以有兩種材料的最優屬性(圖4)。它可以過渡在體重,但其韌性,耐磨性,耐沖擊或其物理、化學或生物化學或機械性能。材料的非均質混合物不再需要在其固有性質上妥協，以實現理想的成分性質。多材料FGAM還可以在小截面或預先確定的零件周圍的戰略位置上提供特定位置的性能。
圖4 傳統復合材料與FGAM復合材料的對比及結構示意圖，以說明材料導熱系數(....)和彈性模量(-)的變化。
圖5展示了在Multi-material FGAM中，材料從一端的0%到另一端的100%之間的平滑無縫過渡。三維空間內的連續變化可以通過控制兩種或更多材料在沉積和固化之前的混合比例來實現。然而，組成的變化必須由計算機程序控制。Vaezi也認為，沉積或凝固前預混合或復合的原料不應被視為多材料FGAM。
圖5 兩種材料之間具有連續梯度微結構的多材料FGAM。
異質成分梯度的設計可以分為4種類型:2種材料之間的過渡(圖6)、3種或以上材料之間的過渡(圖7)、不同位置之間的切換成分(圖8)或密度和成分梯度的組合(圖9)。
圖6 MM FGAM(2種材料)。
圖7 MM FGAM(3種材料)。
圖8 切換組合。
圖9 在非均勻材料中密度和成分級配的結合。
FGAM的關鍵設計參數包括梯度矢量的維數、幾何形狀和等勢面的重新劃分。組件的特征和功能進一步由組成中的梯度方向決定。體積梯度的設計和類型可按圖10所示的1D、2D和3D進行分類，并可將材料均勻分布或通過特殊圖案分布。
圖10 梯度分類的類型。
2. FGAM的設計與建模
FGAM的使用要求基于三聯“材料-產品-制造”方法對刀具路徑進行良好的控制。FGAM的制造過程與AM工作流程相對類似，從使用CAD生成實體模型、切片、將CAD文件轉換為。STL或適當的數據交換文件格式，驗證STL數據，確定最佳方向，支持生成，工具路徑定義，制造和后處理。然而，關鍵的區別在于，FGAM對材料屬性和設計組件中每個體素的行為的描述和分配具有更高的優先級(圖11，表1)。
圖11 從設計到制造的FGAM工藝流程。
表1 FGAM的制造方法
3.材料描述的局限性
在幾何信息的基礎上表示材料對于單材料和多材料FGAM都具有重要意義。定義最佳材料分布函數需要廣泛的材料數據知識，包括化學成分、其特征和制造約束。AM的材料選擇仍然普遍受到限制。目前，對于材料相容性、性質可變、非均勻材料的混合范圍沒有設計指導方針，缺乏空間選擇、梯度分布、過渡階段安排等最優性質分布框架。例如，梯度的設計和過渡階段的安排還沒有完全了解，只有很少的商業軟件存在，可以模擬梯度的設計，如AutoDesk Monolith，這是一個基于體素的多材料3D打印建模引擎。因此，沒有材料科學背景的設計師或工程師很難充分利用FGAM的潛力。
在制備高強度或低強度的梯度材料時，必須仔細測量和量化微觀結構的改變所帶來的材料性能的變化。T-Williams提出了兩種有用的方法，利用理想指數律和材料元素“Maxels”對功能梯度構件的響應進行建模。分析的有限元方法(FEM)也可以用來顯示和建議在預先確定的情況下的一組優化的元素，以提供更好的理解材料性能將如何表現(如ABAQUS)。理解FGAM產生的預測組件和實際組件之間的差異是至關重要的。由于不同材料在不同操作條件下相互作用的可變性，制造部件的化學成分及其材料特性的分布可能會偏離實際生產材料。例如，物理和技術因素，如凝固過程中溶質的宏觀偏析和不良的過程控制，可以導致變化的公差和劣質零件被生產。這可以通過在構建過程中進行原位監控來減少。設計規則和方法，通過了解所需的性能混合，所需的相安排，和材料的兼容性，必須建立，以避免不良的結果。
“加工-結構-性能”關系的知識可以通過共享數據庫材料性能信息目錄獲得。Bashayam建議，應該建立包括材料組成、功能和應用在內的信息，以幫助設計師根據其設計中的拓撲和幾何變化來選擇理想的材料組成。Comotti還建議將“功能-行為-結構”FBS本體應用到模型中，通過配方、合成、分析、評價、記錄和重新配方等8個基本步驟計算和預測功能分級構件的行為(圖12)。
圖12 功能-行為-結構(FBS)框架中的8個步驟，可以實現計算FGM組件的行為。
4. 當前的FGAM軟件限制
計算機輔助設計中的現代信息技術取得了進步，為3D模型提供了多種文件格式，以便與AM系統進行通信。CAD中常見的4種幾何表示技術包括邊界表示（B-rep）、構造實體幾何（CSG）、空間分解和函數表示（F-rep）。基于B-rep和F-rep的方法表示三維形狀的幾何圖形，而不描述部件的內部結構和材料信息，而并行表示（PR）包括基于空間分解的PR，基于構造實體幾何（CSG）的PR和基于層次結構的PR描述了幾何和材料。
FGAM需要一種新的計算建模方法，它包含自組織的概念。這就需要一種新的計算機輔助工程(CAE)分析方法，能夠指定、建模和管理材料信息，用于局部成分控制(LCC)。必須要有一種切割、分析和制備FGAM的新方法。新的AM軟件流程應該能夠在FGAM模型生成過程中，以邏輯分布的方式戰略性地控制物質的密度、方向性和分配。
Richards首先提出了一個計算方法使用CPPN(組成模式生產網絡)編碼和一個可擴展的算法使用整潔(Neuroevolution增強拓撲)嵌入功能形態和宏觀性質的物理特性使用多材料FGAM通過voxel-by-voxel描述的函數其笛卡爾坐標(x,y,z)(圖13a和b)。
圖13 a:簡單的漸變圖案，通過對每個像素的x和y坐標求和生成顏色:C. b: CPPN生成的圖案。上面的公式顯示了用紅色邊框的體素的計算。(讀者可參考本文的網絡版，以解釋本圖例中有關顏色的參考資料。)
目前，將FGAM的體素模型從常見的幾何格式(即STL文件)轉換為體素模型需要大量的計算，并且很難實現具有高度細化細節的裁剪格。作為一種解決方案，Richard引入了另一種設計支持系統，用體積紋理映射來表示材料-幾何-拓撲。體素模型是通過算法生成的。因此，必要的修改可以手動修改體素，然后編譯回紋理描述，以允許在不同的尺度上進行更改。目前只有很少的軟件開發可以模擬梯度設計，如Autodesk Monolith、Stratasys GrabCAD Voxel Print，這是基于體素的建模引擎，支持多材料FGAM。盡管如此，關于定義宏觀性質的估計，仍然會有很多的遭遇。
AM軟件過程的另一個重要元素是“切片”程序，它支持AM系統的參數化工具路徑和相關命令。需要新的方法來切片、分析和制備用于制造的FGAM組件。Steuben提出了一種基于生成工具路徑的切片算法，這些工具路徑來源于基于啟發式或基于物理的任意場。Hascoet建立了一套數學公式，用于切割四種可能的雙材料梯度類型。每個類型學類都有一個相關的面向零件策略，可以為FGAM實現。Wu提出使用具有幾何約束的材料重取樣(MRGC)，這為切割FGAM零件提供了另一種選擇。
(責任編輯：admin)
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