深度：功能梯度增材制造綜述(2)
時間：2022-01-30 09:56 來源：江蘇激光聯(lián)盟 作者：admin 閱讀：次
5. 支持FGAM的潛在數(shù)據(jù)交換格式
大多數(shù)AM技術(shù)識別的標準數(shù)據(jù)格式通常是由多邊形網(wǎng)格表示的三角面模型。STL文件和OBJ文件格式只描述表面幾何形狀，沒有任何材料和屬性信息。此外，還有幾種數(shù)據(jù)交換格式——AMF (Additive Manufacturing Format)、FAV (FabricatableVoxel)、SVX (Simple Voxels)和3MF (3D Manufacturing Format)，它們可能適用于FGAM部件的生產(chǎn)。這些文件格式可以攜帶關(guān)于材料梯度和微觀尺度物理特性的信息，超出了固定的幾何描述。
5．1. AMF
ISO和ASTM已經(jīng)認可了一種稱為增材制造格式(AMF, ISO/ASTM 52915:2016)的標準格式，這是一種基于xml的格式，能夠存儲組成物體的顏色、材料、晶格、副本和體簇。AMF文件格式可以通過SolidWorks, Inventor, Rhino和Mesh Mixer生成。AMF為FGAM提供了一個合適的平臺，包括材料規(guī)范、混合和分級材料和子結(jié)構(gòu);新材料可以定義為其他材料的組成及其孔隙率。在當前的AMF 1.2規(guī)范中，F(xiàn)GAM特性可以通過三種不同的形式來定義:功能表示、3D紋理或體紋理和體素表示。AMF文件包含一個臨時體素節(jié)點，旨在支持基于體素的表示。雖然AMF 1.2標準中描述了所有三種表示，但每一種都可以被有效地切片或利用來支持多種功能分級制造模式。ISO/ASTM TC261/JG64委員會目前正在開展活動，利用現(xiàn)有的AMF 1.2實體建模特性，并使其能夠用于進一步的AMF格式修訂，包括但不限于FGAM。
5.2. FAV
FAV格式包含在三維空間中制造零件所需的數(shù)字信息，包括物體的外部和內(nèi)部，包括其顏色、材料和通過體素的連接強度。每個體素都可以用各種屬性值表示，包括顏色信息和材質(zhì)信息。通過控制每個獨立體素之間的關(guān)系，用戶可以自由建模并有效管理復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和屬性（圖14）。FAV文件格式允許用戶以集成方式無縫地設(shè)計（CAD）、分析（CAE）和檢查（CAT）3D模型數(shù)據(jù)，而無需轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。FAV數(shù)據(jù)格式允許將體素數(shù)據(jù)用于物理模擬，例如外力引起的變形（圖15）。
圖14 使用FAV格式顯示3D表單中3種不同類型材料(ABS材料、類橡膠材料和材料1)的體素排列的概念圖。
圖15 FEF系統(tǒng)的靜態(tài)混合器和三重擠出機原理圖。
5.3 SVX
SVX (Simple Voxels)是一種體素傳輸格式，用于攜帶基于體素的3D打印模型。SVX的基本格式是由一系列圖像切片和manifest.xml文件組成的ZIP文件。Shapeways設(shè)計的SVX優(yōu)先考慮了簡單定義、易于實現(xiàn)和文件可擴展性的需求。其目標是轉(zhuǎn)換體素，如STL文件中的三角形，但仍然能夠包含材料分配、密度、RGB顏色或可用于其他變量的定制數(shù)據(jù)的信息。
5.4 MF
3D制造格式(3MF)是由3MFconsortium開發(fā)的一種基于xml的開放格式，可以用具有更豐富的外部和內(nèi)部信息的標記格式來表示物理對象的描述，旨在為多AM系統(tǒng)實現(xiàn)交叉兼容。雖然它的推動是為了主流行業(yè)采用，3MF不支持固體建模(高階表示)，如B-Rep, NURBS和STEP。
6. FGAM的AM技術(shù)
目前，并不是所有的AM技術(shù)都能夠使用fgm。表2所示的當前AM方法已經(jīng)成功地生產(chǎn)了FGAM組件。它們包括材料擠壓、直接能量沉積、粉末床融合、薄板層壓和PolyJet技術(shù)。
表2 參考ISO/ ASTM，支持FGM的增材制造技術(shù)及其分類。
6．1. 材料擠壓
熔融沉積建模(FDM)系統(tǒng)能夠有多個擠出機，每個攜帶一個材料的膏體。隨后，不同的材料被送到靜態(tài)混合器，制成均勻的糊狀物。
各層狀材料的沉積方向和絲間間隙大小是控制材料力學(xué)性能的主要制造參數(shù)。Li制作了兩個形狀相同的FDM模型(圖16a和b)，但不同的沉積密度、取向、ABS纖維和空隙之間的粘接，以展示沿水平軸的剛度差異。
圖16 單向沉積。b:各部分采用多向沉積策略。
Srivastava研究了FDM中影響功能梯度ABS零件性能的過程控制參數(shù)，包括光柵寬度、輪廓寬度、氣隙和光柵角。該框架可用于不同負載條件下功能梯度FDM組件的建模和仿真。
6.2 粉床融合
使用粉末床融合方法，如選擇性激光燒結(jié)(SLS)，如果使用正確的粉末輸送方法，可以生產(chǎn)具有空間變化的機械性能的復(fù)雜部件。Chung和Das利用SLS制備了不同體積分數(shù)(0-30%)的尼龍-11復(fù)合材料功能梯度聚合物納米復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，如圖17所示。采用實驗設(shè)計(DOE)方法確定了不同組分的SLS工藝參數(shù)，該方法是一種確定工藝影響因素與該工藝輸出之間關(guān)系的系統(tǒng)方法。通過光學(xué)顯微鏡和透射電鏡觀察了納米復(fù)合材料的密度和微觀結(jié)構(gòu)。然后測試了各組分的拉伸和壓縮性能。這些性質(zhì)隨填料體積分數(shù)呈非線性變化。Trainia和Sudarmadji的實驗工作也證明了SLS技術(shù)的有效應(yīng)用，能夠生產(chǎn)Ti-6Al-4V合金植入物和支架，其孔隙度與人體骨骼結(jié)構(gòu)非常匹配。
圖17 合規(guī)夾持器，每層7.62 毫米
Zhou等人開發(fā)了一種基于立體光刻(MIP -SL)的掩模圖像投影系統(tǒng)，以克服單一還原SLA技術(shù)的缺點(圖18)。通過安裝可切換的樹脂桶和微鏡裝置(DMD)，將掩模圖像投射到樹脂表面，從而系統(tǒng)地構(gòu)建多材料組件，從而能夠通過單一的構(gòu)建過程使用不同的材料。
圖18 基于自底向上投影的立體光刻(MIP - SL)掩模圖像投影系統(tǒng)。
選擇性激光熔化(SLM)是一種很有潛力的制備功能梯度金屬構(gòu)件的技術(shù)。使用多個饋線可以實現(xiàn)異質(zhì)金屬組合。Mumtaz 等利用高功率激光器制備了混合WASPaloy和氧化鋯材料的FGM組件。SLM的一個特殊優(yōu)勢是它能夠制造包含周期晶格的組件。Maskery研究了均勻梯度密度的Al-Si10-Mg晶格的幾何形狀與機械行為之間的關(guān)系，以及準靜態(tài)載荷下FGM的破碎行為。在此基礎(chǔ)上，建立了利用SLM制造輕量化梯度晶格結(jié)構(gòu)的熱處理框架。
FraunhoferIGCV也提出了原型級別連續(xù)分配和凝固兩種材料在一個組件的使用多材料FGAM Copper-Chrome-Zirconia和工具鋼的一部分被固化材料實現(xiàn)原位spot-wise沒有混合前的材料過程(圖19)。
圖19 由Anstaett公司生產(chǎn)的銅-鉻-氧化鋯和工具鋼1.2790的多材料FGAM部件采用激光基粉床融合(注:1.2709是嵌入到CuCr1-Zr錐狀)。
最后，利用EBM可以制備出具有良好機械性能的FGM零件。根據(jù)Gibson的說法，由于使用了升高的建造溫度，ebm制造的零件具有較低的殘余應(yīng)力。該理論在Tan對電子束熔體Ti-6Al-4V鈦合金建立厚度相關(guān)顯微組織的模擬研究中得到了驗證。
6.3 定向能量沉積
激光金屬沉積工藝(LMD)是一種重要的直接金屬沉積技術(shù)，常用于產(chǎn)品再制造中。定向能量沉積(DED)技術(shù)能夠從一個3D CAD模型中修改、修復(fù)、加固部件或向現(xiàn)有的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)添加材料，這是其他AM技術(shù)無法實現(xiàn)的�；诩す獾腄ED可用于制造具有成分梯度的金屬零件，方法是根據(jù)“位置函數(shù)”來調(diào)整輸送到熔池中的金屬粉末的體積。例如，Carroll[2016]成功地采用了一種熱力學(xué)計算建模方法，通過RPM 557激光沉積系統(tǒng)使用DED技術(shù)，在由304 L不銹鋼逐步升級到Inconel 625的氬氣氣氛下生產(chǎn)FGM。設(shè)計的系統(tǒng)允許多達四種粉末添加到制造過程中，每個粉末的體積分數(shù)可以改變約1%的沉積層。圖20所示的分級組合通過大約0.5 mm高的63層，由910 W YAG激光器建立，艙口角為60°。
圖20 梯度合金試樣示意圖和照片。虛線顯示了為分析而切片的位置。
6.4 表紋理
Kumar成功地利用不銹鋼、鋁和銅箔，通過超聲固結(jié)(UC)實現(xiàn)了金屬FGM的新發(fā)展，如圖21所示。金屬箔通過超聲波焊接連接，使用UC機器，以20 kHz的頻率機械振動焊接頭(聲納極)。
圖21 (左):超聲固結(jié)法制備的銅箔(CU)、不銹鋼(SS)和鋁(Al1100和3003)梯度層金屬FGM。(右):FGM試樣的金相圖。
6.5. 物料噴射
在所有AM技術(shù)中，PolyJet可以將最廣泛的顏色和材料合并到一個單一的印刷品中。像剛性結(jié)構(gòu)的柔性過模塑這樣的應(yīng)用可以很容易地在一張紙上實現(xiàn)。例如，橡膠類零件的肖氏硬度可以在27到95之間。通過其廣泛的數(shù)字材料庫，功能梯度復(fù)合材料零件可以具有多達82種不同的材料特性。具有獨特性能的特殊材料也可用于特殊應(yīng)用，如醫(yī)療和牙科應(yīng)用的生物相容性。所有可能的組合都是在Objet Studio和PolyJet Studio軟件中預(yù)先配置和選擇的。根據(jù)圖22，通過將半透明橡膠狀材料Tango Plus與兩種剛性不透明材料Vero magenta和Vero yellow合并，可以實現(xiàn)黃色到品紅的顏色梯度。當顏色的強度和不透明度減弱時，分級強度增加。
圖22 Stratasys展示的口感色調(diào)
6.6 當前AM技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)
AM組件仍然容易出現(xiàn)較高的內(nèi)部和外部缺陷，以及對公差的控制較差。由于監(jiān)管有限，且對操作變量的理解薄弱，零件質(zhì)量和表面光潔度標準在批次或機器類型之間可能存在很大差異。制造具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的FGAM零件，并在微觀結(jié)構(gòu)水平上精確分布組成相，意味著FGAM必須提高層間交換材料的交付速度、精度和有效性。商業(yè)上可用的AM技術(shù)仍然主要在各向同性材料上運行，側(cè)重于基本的幾何描述，并指定單個材料來構(gòu)建整個組件。對于需要高水平現(xiàn)場測量的FGAM工藝而言，材料表征是最重要的挑戰(zhàn)。雖然已經(jīng)建立了一個模型框架來演示可變屬性梯度打印的方法，但仍然需要研究能夠保證更可靠和可預(yù)測結(jié)果的程序和協(xié)議，特別是處理整個結(jié)構(gòu)中具有組成相和過渡性質(zhì)的材料的分布，以及以經(jīng)濟方式支持FGAM的材料選擇、平臺結(jié)構(gòu)和制造速度的考慮。為了轉(zhuǎn)移到功能性FGAM零件，必須開發(fā)一種新型材料輸送系統(tǒng)。
7. 結(jié)論
本文介紹了FGAM的概念理解和從設(shè)計到制造的過程。FGAM技術(shù)為設(shè)計師和工程師提供了巨大的潛力，通過戰(zhàn)略性地控制物質(zhì)的密度和材料的混合來制造可變性質(zhì)的結(jié)構(gòu)。隨著這一技術(shù)的成熟和應(yīng)用的增加，未來的工作將集中于調(diào)整聚集物、發(fā)泡劑的比例，或使用FGAM對支架和生物墨水進行生物打印。FGAM的另一個可預(yù)見的根本性變化是使用多種刺激響應(yīng)材料，在這種材料中，當受到適當?shù)拇碳び|發(fā)時，制造出來的組件可以經(jīng)歷從一種形狀到另一種形狀的幾何轉(zhuǎn)換。FGAM可以定制4D打印組件的微觀結(jié)構(gòu)特性，通過戰(zhàn)略性地控制刺激響應(yīng)材料的密度和方向性，創(chuàng)建更復(fù)雜的幾何變換。它還可以改善異質(zhì)智能組合物的層壓，甚至不考慮材料的活性或非活性特性。盡管FGAM在未來生產(chǎn)中的潛力是無限的，但我們卻因缺乏全面的“材料-產(chǎn)品-制造”原則、指南和最佳FGAM實踐標準而受到限制。尚未建立適當?shù)姆椒ǎ员阍谏虡I(yè)或經(jīng)濟規(guī)模上充分發(fā)揮和開發(fā)FGAM的真正潛力。整個數(shù)字鏈的各個部門都需要采取一種全球性的方法來解決相關(guān)的基本問題，以鼓勵FGAM的主流使用。
來源：An overview of functionally graded additive manufacturing，AdditiveManufacturing，doi.org/10.1016/j.addma.2018.06.023
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