國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織和美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)列出了兩種主要的金屬材料激光增材制造類型。一種是基于粉末擴(kuò)散的LPBF（圖1（a）），另一種是基于粉末噴涂的激光定向能量沉積（LDED）（圖1（b））。在這兩種工藝中，激光被用作能量源來熔化金屬粉末并逐層制造部件。結(jié)構(gòu)的數(shù)字模型可以使用增材制造技術(shù)直接轉(zhuǎn)換為物理產(chǎn)品。與傳統(tǒng)制造方法不同，激光增材制造是處理仿生復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有效方法。目前的研究重點(diǎn)是LPBF，用于制造仿生結(jié)構(gòu)。

 

圖1 兩種主要的激光AM工藝和材料類型：（a）LPBF工藝的示意圖；（b） LDED工藝示意圖；（c）多孔脊柱植入裝置；（d） LPBF處理的單一Ti6Al4V材料的典型針狀微觀結(jié)構(gòu)；（e）透射電子顯微鏡顯示貽貝的貝須和貝須角質(zhì)層的顆粒微觀結(jié)構(gòu)；（f） WC/Inconel 718復(fù)合材料的掃描電鏡微觀結(jié)構(gòu)；（g） Crysomallon squamiferum貝殼的宏觀照片，以及貝殼橫截面的光學(xué)微觀結(jié)構(gòu)，顯示多層結(jié)構(gòu)；（h）多層Ti6Al4V/TiB2材料的靈感來源于鱗片鐵。

1. 單一材料

激光增材制造中使用的金屬材料包括鋁合金、Ti6Al4V合金和鎳基高溫合金。激光增材制造處理的仿生結(jié)構(gòu)的性能是材料特性和結(jié)構(gòu)提供的性能增強(qiáng)的疊加。金屬仿生組件的材料必須根據(jù)預(yù)期工程應(yīng)用進(jìn)行選擇。渦輪葉片用于高溫環(huán)境，通常使用鎳基高溫合金。由于激光增材制造工藝的高冷卻速率（103–106°C/s），在凝固過程中形成了細(xì)胞狀而非樹枝狀微觀結(jié)構(gòu)，從而消除了樹枝狀偏析。Ti6Al4V合金由于其優(yōu)越的機(jī)械性能，**用于航空航天部件，如燃?xì)廨啓C(jī)、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)身部件。

通過使用不同材料的激光增材制造，可以獲得各種微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。仿生結(jié)構(gòu)通常表現(xiàn)出薄壁、懸垂和獨(dú)特的曲面結(jié)構(gòu)等特征。當(dāng)用于處理不同的仿生結(jié)構(gòu)時(shí)，不同的材料往往表現(xiàn)出不同的特性和性能。鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)較低，在激光加工過程中容易導(dǎo)致局部熱量積聚，從而導(dǎo)致結(jié)渣和應(yīng)力變形等問題。因此，在設(shè)計(jì)仿生結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)考慮材料和結(jié)構(gòu)的兼容性。

 

仿生力學(xué)用單一材料加固3D打印結(jié)構(gòu)。

2. 復(fù)合材料

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上具有不同化學(xué)和物理性質(zhì)的成分組成的材料。由復(fù)合材料組成的LPBF加工仿生結(jié)構(gòu)有望創(chuàng)造高性能和多功能結(jié)構(gòu)。激光增材制造中使用的復(fù)合材料主要包括原位增強(qiáng)復(fù)合材料、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料和碳材料增強(qiáng)復(fù)合材料。復(fù)合材料的新型增強(qiáng)相微觀結(jié)構(gòu)對(duì)于提**度和韌性至關(guān)重要。因此，為了達(dá)到與自然生物結(jié)構(gòu)相匹配的性能，在制造仿生結(jié)構(gòu)時(shí)必須使用復(fù)合材料。

在激光增材制造過程中，尤其是仿生復(fù)雜結(jié)構(gòu)的LPBF過程中，復(fù)合粉末經(jīng)常受到粉末團(tuán)聚、流動(dòng)性差和粉末鋪展不均勻等問題的影響。這些問題可直接導(dǎo)致在激光加工過程中形成局部氣孔、熔合不足、裂紋和其他缺陷，這將**惡化仿生組件的整體性能。因此，材料、過程和性能控制的集成至關(guān)重要。

 

仿生力學(xué)用多種材料加固3D打印結(jié)構(gòu)。

3. 多種材料

使用單一材料或復(fù)合材料無法完全復(fù)制生物結(jié)構(gòu)的優(yōu)異性能。使用多種材料可能會(huì)導(dǎo)致組件在不同位置表現(xiàn)出不同的物理和化學(xué)特性。因此，多材料增材制造是完全復(fù)制生物結(jié)構(gòu)特性的可行選擇。

對(duì)于LPBF處理的多層材料，*重要的考慮因素是沉積材料是否會(huì)與之前的層結(jié)合。由于各種材料在熔化和凝固階段的復(fù)雜相互作用，粘接由材料的特定特性決定，這些特性由材料的熱力學(xué)演化決定。熱膨脹系數(shù)、激光吸收系數(shù)、熔化溫度和熱導(dǎo)率的失配抑制了多種材料的組合。

目前，激光增材制造的制造部件中的缺陷是不可避免的，導(dǎo)致部件的相對(duì)密度和尺寸精度較低。根據(jù)激光增材制造的形成機(jī)理，可將孔隙分為三種類型。接下來，我們介紹了激光增材制造的制造部件的典型微觀結(jié)構(gòu)孔隙和表面宏觀缺陷。

鎖眼孔：如圖2（a）所示，鎖眼孔是由于鎖孔塌陷而形成的。由于輸入的能量過多，熔池接收到足夠的能量，用于金屬蒸發(fā)和等離子體形成。在這種情況下，開發(fā)了增強(qiáng)激光吸收的蒸汽腔，從而使激光“鉆”到更深的深度，從而形成小孔。

 

圖2 激光AM產(chǎn)生的典型缺陷和難以加工的結(jié)構(gòu)：（a–c）三種類型的微結(jié)構(gòu)孔隙；（d–f）導(dǎo)致表面粗糙度的表面缺陷；（g–i）激光AM中難以處理的結(jié)構(gòu)特征示例。

截留氣孔：粉末中預(yù)先存在的保護(hù)氣體或材料熔化過程中元素的選擇性蒸發(fā)導(dǎo)致截留氣孔的形成。如圖2（b）所示。雖然合金元素在激光加工過程中從整個(gè)均勻混合的液池中排出，但合金元素從熔池表面蒸發(fā)。決定成分變化幅度的影響因素之一是表面積體積比。雖然高溫加速了蒸發(fā)，但也會(huì)增加熔池尺寸，從而減少因體積增加而引起的成分變化。因此，應(yīng)估計(jì)溫度場(chǎng)和熔池幾何形狀，以了解增材制造期間的成分變化。

 

（a）DED-L（b）DED-EB（c）DED-GMA（d）PBF-L（e）超聲波增材制造（UAM）工藝和（f）粘合劑噴射工藝的示意圖。

未熔合（LOF）孔：當(dāng)金屬粉末未完全熔化且熔池?zé)o法填充粉末之間的孔時(shí)，會(huì)形成LOF孔（圖2（c））。LOF孔隙促進(jìn)凹坑的擴(kuò)展和萌生，從而惡化部件的機(jī)械性能。增加激光功率或降低掃描速度可以通過增加熔池尺寸來減少LOF孔隙。然而，應(yīng)控制激光能量密度以防止氣孔的形成。

粘結(jié)粉末：在激光AM中，熔池邊緣與未熔化粉末接觸，未熔化粉末部分熔化并粘附在部件表面（圖2（d））。粘結(jié)粉末增加了激光增材制造的制造部件的表面粗糙度，從而降低了結(jié)構(gòu)完整性，從而降低了性能。高能輸入可以提高熔池內(nèi)的反應(yīng)溫度，從而降低熔融材料的粘度。對(duì)于裝配部件，后處理技術(shù)（如機(jī)加工拋光、噴砂和化學(xué)處理）可以有效去除粘結(jié)粉末并改善表面粗糙度。

球化現(xiàn)象：LPBF中涉及的掃描軌跡分離成球的現(xiàn)象稱為球化（圖2（e））。在LPBF期間，液相的良好潤(rùn)濕和鋪展至關(guān)重要。通常，當(dāng)液相不能滲透未熔化的固體顆粒時(shí)，會(huì)發(fā)生成球。這可能會(huì)影響下一層的形成，這可能會(huì)降低致密化并惡化材料性能。合理控制印刷過程中輸入的能量，例如通過調(diào)整激光功率、掃描速度和粉末層厚度，可以有效減少成球。

階梯式：在LPBF期間，熱量主要通過固體傳遞。傾斜表面的大部分區(qū)域連接到粉末而不是固體材料。因此，由于傾角的原因，在粉末床上傳導(dǎo)了一些熱量，激光和粉末之間的相互作用導(dǎo)致局部過熱，從而導(dǎo)致超大熔池幾何形狀，然后形成階梯狀（圖2（f））。較小的層厚可以有效地削弱階梯效應(yīng)，提高成形質(zhì)量。然而，對(duì)于大型復(fù)雜組件，較小的層厚度意味著完成打印需要更多的時(shí)間。因此，需要一個(gè)合適的建筑方向來避免尖銳的建筑方向。