增材制造技術(shù) 第2版 課件 吳超群 第5-7章 增材制造零部件的性能特征 -增材制造的主要應(yīng)用領(lǐng)域

增材制造技術(shù)

第五章增材制造零部件的性能特征增材制造材料不同加工工藝的工藝參數(shù)“樓梯效應(yīng)”，物理后處理方法作用以及后處理時(shí)的要求增材制造零件的基本機(jī)械性能與提高零件強(qiáng)度的后處理方法增材制造零件常見(jiàn)缺陷類(lèi)型本章重點(diǎn)本章重難點(diǎn)本章難點(diǎn)主要物理后處理方法作用以及后處理時(shí)的要求，與提高零件強(qiáng)度的后處理方法增材制造零件常見(jiàn)的缺陷類(lèi)型與產(chǎn)生原因，如何改善12增材制造零件的微觀結(jié)構(gòu)特性增材制造零件的機(jī)械性能增材制造材料的工藝參數(shù)3654增材制造零件的光學(xué)特性增材制造零件的常見(jiàn)缺陷增材制造零件的電學(xué)特性第五章增材制造零部件的性能特征

5.1增材制造材料的工藝參數(shù)

增材制造的工藝參數(shù)對(duì)其成型工藝有重要的影響，工藝參數(shù)對(duì)成型件的精度和強(qiáng)度有很大的影響。為了得到理想的部件，選擇合適的參數(shù)十分重要。本節(jié)將針對(duì)各種成型工藝的參數(shù)對(duì)成型件的影響進(jìn)行探討。

激光加工的工藝參數(shù)主要有掃描速度、激光功率、激光燒結(jié)間距和光斑直徑、單層厚度等。5.1.1激光類(lèi)加工工藝的工藝參數(shù)5.1增材制造材料的工藝參數(shù)（1）掃描速度

掃描速度越大，尺寸誤差向負(fù)誤差的方向減小，成型件強(qiáng)度減小。由于單位面積的能量密度減小，零件的尺寸精度和性能都受到相應(yīng)的影響。5.1增材制造材料的工藝參數(shù)（2）激光功率①由于激光具有方向性，熱量沿激光方向傳播，當(dāng)激光功率增大，在寬度方向上會(huì)將更多的粉末燒結(jié)在一起。因此，尺寸誤差沿正方向增大，厚度方向的尺寸誤差增大趨勢(shì)要比長(zhǎng)寬方向大。②在激光功率增大時(shí)，燒結(jié)件強(qiáng)度也會(huì)隨著增大。當(dāng)激光功率比較低時(shí)，粉末顆粒只是邊緣熔化而黏結(jié)在一起，顆粒之間存在大量間隙，使得強(qiáng)度不會(huì)很高；但是激光功率過(guò)大會(huì)加劇因熱收縮而導(dǎo)致的制件翹曲變形。5.1增材制造材料的工藝參數(shù)（3）激光燒結(jié)間距和光斑直徑①當(dāng)燒結(jié)間距過(guò)大，燒結(jié)的能量在平面上的每一個(gè)燒結(jié)點(diǎn)的均勻性降低；光斑直徑過(guò)大時(shí)，激光光斑中間溫度高，邊緣溫度低，導(dǎo)致中間部分燒結(jié)密度高，邊緣燒結(jié)不牢固，使燒結(jié)制件的強(qiáng)度降低。（4）單層厚度②當(dāng)燒結(jié)間距過(guò)小，制件的成型效率將會(huì)嚴(yán)重降低。①隨著單層厚度的增加，燒結(jié)制件的強(qiáng)度減小。需要熔化的粉末增加，向外傳遞的熱量減少，使得尺寸誤差向負(fù)方向減小。②單層層厚對(duì)成型效率有很大的影響，單層層厚越大，成型效率越高。

EBM的工藝參數(shù)主要有加速電壓、束電流、掃描速度、搭接率、掃描路徑。只重點(diǎn)介紹搭接率和掃描路徑。5.1.2電子束熔融（EBM）的工藝參數(shù)5.1增材制造材料的工藝參數(shù)（1）搭接率

搭接率是影響水平面粗糙度的主要因素，掃描線要想形成一個(gè)質(zhì)量好的平面，相鄰兩道掃描線的合理搭接是必不可少的。一般來(lái)說(shuō)，搭接率高的層面質(zhì)量?jī)?yōu)于搭接率低的層面質(zhì)量。隨著搭接率的增加，能量密度增加，表面粗糙度值增大，表面質(zhì)量下降。5.1增材制造材料的工藝參數(shù)（2）掃描路徑

掃描路徑是指零件每層內(nèi)部的填充方式。掃描路徑將影響層面質(zhì)量。采用先掃描零件的長(zhǎng)邊的方式，前幾條線形成的層面質(zhì)量較好，但隨著掃描的進(jìn)行，由于真空中散熱條件較差，熱量累積嚴(yán)重，因此導(dǎo)致熔池過(guò)熱沸騰，金屬小液滴飛濺而出，冷卻后形成小球落在未掃描的粉層上，從而影響了層面的表面質(zhì)量。在電子束掃描過(guò)程中，如果先掃描短邊會(huì)使熱量的積累更加嚴(yán)重，層面的后半部分由于金屬小球的“污染”，因此質(zhì)量更差。注：回旋掃描可以較好地解決小液滴的飛濺問(wèn)題，由于相鄰的掃描線有較長(zhǎng)的時(shí)間冷卻，從而不會(huì)導(dǎo)致熱量的累積，因此完全消除了金屬小球的飛濺現(xiàn)象，層面的質(zhì)量明顯好于長(zhǎng)邊掃描和短邊掃描。

熔融沉積技術(shù)的相關(guān)工藝參數(shù)有分層厚度、噴嘴直徑、噴嘴溫度、環(huán)境溫度、擠出溫度、擠出速度與填充速度、理想輪廓線的補(bǔ)償量及延遲時(shí)間等。5.1.3熔融沉積（FDM）的工藝參數(shù)5.1增材制造材料的工藝參數(shù)（1）分層厚度

是指將三維數(shù)據(jù)模型進(jìn)行切片時(shí)層與層之間的高度。當(dāng)分層厚度大時(shí)，原型表面會(huì)有明顯的“樓梯”，這會(huì)影響原型的表面質(zhì)量和精度；分層厚度較小時(shí)，原型精度提高，但切片層數(shù)增多，加工時(shí)間較長(zhǎng)。5.1增材制造材料的工藝參數(shù)（2）噴嘴直徑

影響噴絲的粗細(xì)。噴絲越細(xì)，原型的精度越高，但每層的加工路徑更密更長(zhǎng)，成型時(shí)間較長(zhǎng)。一般分層厚度要小于噴嘴直徑。（3）噴嘴溫度

是指系統(tǒng)工作時(shí)噴嘴要加熱到一定的溫度。在選擇噴嘴溫度時(shí)應(yīng)當(dāng)注意噴嘴溫度應(yīng)該能使擠出的絲呈現(xiàn)彈性流體狀態(tài)。噴嘴溫度應(yīng)當(dāng)控制在230℃左右。（4）環(huán)境溫度

是指系統(tǒng)工作時(shí)打印件周?chē)臏囟?。環(huán)境溫度會(huì)影響成型零件的熱應(yīng)力的大小，影響成型件的表面質(zhì)量。一般情況下，環(huán)境溫度比噴嘴溫度低1-2℃。5.1增材制造材料的工藝參數(shù)（5）擠出速度與填充速度

是指噴絲在送絲機(jī)構(gòu)的作用下從噴嘴中擠出的速度。填充速度是指噴頭在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下按輪廓路徑和充填路徑運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度。機(jī)器工作時(shí)，填充速度越快，成型時(shí)間越短，效率越高。為了保證出絲的連續(xù)與平穩(wěn)，擠出速度與填充速度應(yīng)該進(jìn)行合理的匹配。（6）理想輪廓線的補(bǔ)償量

由于噴絲具有一定的寬度，噴頭在填充輪廓路徑時(shí)實(shí)際輪廓線可能會(huì)超出理想輪廓線，因此，需要在生成路徑時(shí)對(duì)理想輪廓線進(jìn)行補(bǔ)償。這個(gè)補(bǔ)償值就是理想輪廓線的補(bǔ)償量，一般取擠出絲寬度的一半。5.1增材制造材料的工藝參數(shù)（7）延遲時(shí)間

包括出絲延遲時(shí)間和斷絲延遲時(shí)間。出絲延遲時(shí)間是指當(dāng)送絲機(jī)構(gòu)開(kāi)始送絲時(shí)，噴嘴不會(huì)立即出絲，而有一定的滯后，這段滯后時(shí)間即為出絲延遲時(shí)間。同樣的，斷絲滯后的時(shí)間稱為斷絲延遲時(shí)間。延遲時(shí)間需要根據(jù)工藝的不同合理設(shè)置，時(shí)間設(shè)置不當(dāng)可能會(huì)出現(xiàn)拉絲太細(xì)，粘結(jié)不牢甚至斷絲，缺絲等現(xiàn)象，也可能會(huì)出現(xiàn)堆絲，積瘤等現(xiàn)象。

三維打印快速成型的基本工藝參數(shù)有噴頭到粉末層的距離、粉層厚度、噴射及掃描速度、輥?zhàn)舆\(yùn)動(dòng)參數(shù)、每層間隔時(shí)間等。若制件精度及強(qiáng)度要求高，層厚取值就要??；而黏結(jié)液與粉末空隙的體積比取決于層厚、噴射量及掃描速度，會(huì)大大影響制件的性能和質(zhì)量；同時(shí)需根據(jù)制件精度與質(zhì)量、時(shí)間的要求及層厚等因素綜合考慮噴射與掃描速度。5.1.43DP的工藝參數(shù)5.1增材制造材料的工藝參數(shù)

纖維纏繞工藝的主要工藝參數(shù)有樹(shù)脂溫粘度、纏繞角、小車(chē)行走速率和固化制度等。其中，性能的主要工藝影響參數(shù)有：纖維張力大小、均勻性的控制、纏繞方式、環(huán)境溫度等。

纖維張力是復(fù)合材料纏繞工藝中參數(shù)控制的重要一環(huán)，體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：5.1.5纖維纏繞的工藝參數(shù)5.1增材制造材料的工藝參數(shù)（1）單個(gè)纖維張力的大小（2）各纖維束間張力的均勻性（3）對(duì)含膠量的影響（4）纏繞方式的影響5.1增材制造材料的工藝參數(shù)（1）單個(gè)纖維張力的大小

張力過(guò)大，纖維塑性變形大、磨損大，導(dǎo)致制品強(qiáng)度下降。張力不夠充分，內(nèi)壓容器構(gòu)件的預(yù)壓縮應(yīng)力可能不足以與充壓相平衡，疲勞性能降低。（2）各纖維束間張力的均勻性

纖維束之間張緊程度不一樣時(shí)，承受載荷時(shí)各個(gè)纖維束不能同時(shí)承受力或是承受力大小不均勻，易導(dǎo)致纖維束斷裂。5.1增材制造材料的工藝參數(shù)（3）對(duì)含膠量的影響

由于纖維是層層纏繞的，取第N層為研究對(duì)象如圖5-1所示，隨著纏繞的進(jìn)行，第N層纖維在所有外部纖維纏繞總成型壓力的作用下收縮，層間間隙增大纖維層發(fā)生松弛，影響內(nèi)部任意各層纖維環(huán)向應(yīng)力，內(nèi)層樹(shù)脂基出現(xiàn)飽和泌出現(xiàn)象。圖5-1纏繞中纖維張力示意圖5.1增材制造材料的工藝參數(shù)（4）纏繞方式的影響纖維纏繞方式如圖5-2所示，分為環(huán)向纏繞、平面纏繞和螺旋纏繞三種。圖5-2纖維纏繞方式

纖維纏繞方式對(duì)復(fù)合材料內(nèi)壓管強(qiáng)度的影響顯著。環(huán)向纏繞角通常在85°~90°之間，環(huán)向纏繞加強(qiáng)的是制品的周向強(qiáng)度。軸向受拉力時(shí)多采用平面纏繞，其纏繞角小于25°。螺旋纏繞在首尾兩端提供經(jīng)緯兩個(gè)方向的強(qiáng)度，在芯模軸身段提供周向和軸向兩個(gè)方向強(qiáng)度，多用于復(fù)雜工作情況產(chǎn)品中。不同的復(fù)合材料最佳纏繞角也不同，合理的纏繞角還會(huì)節(jié)約材料。

影響鋪放成型質(zhì)量的因素有鋪放溫度、鋪放壓力、鋪放速率。5.1.6纖維鋪放的工藝參數(shù)5.1增材制造材料的工藝參數(shù)（1）鋪放溫度指鋪放過(guò)程中預(yù)浸絲表面的溫度。鋪放溫度過(guò)高，樹(shù)脂粘度過(guò)低，樹(shù)脂流動(dòng)性增強(qiáng)，使得樹(shù)脂在鋪放壓力的作用下橫向流動(dòng)增加，從而使纖維排布狀態(tài)發(fā)生改變，可能導(dǎo)致纖維方向偏離設(shè)計(jì)方向，導(dǎo)致性能下降；而溫度過(guò)低將導(dǎo)致樹(shù)脂的粘度過(guò)大，影響預(yù)浸絲束的貼合狀態(tài)。5.1增材制造材料的工藝參數(shù)（2）鋪放壓力

即壓輥加載于預(yù)浸絲上的壓力，可以將單位寬度的預(yù)浸絲所受壓力載荷大小作為鋪放壓力。鋪放壓力選擇太小會(huì)導(dǎo)致樹(shù)脂面積變化率太小，樹(shù)脂擴(kuò)散不充分，此時(shí)預(yù)浸絲與基底的粘結(jié)性不足、貼合狀態(tài)不佳；而選擇鋪放壓力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致預(yù)浸絲橫向變形程度加大。（3）鋪放速率

直接決定載荷作用時(shí)間，鋪放速率過(guò)大將導(dǎo)致載荷作用時(shí)間過(guò)短，樹(shù)脂擴(kuò)散不充分，預(yù)浸絲與模具表面或者預(yù)浸絲相互之間無(wú)法緊密貼合，影響鋪放質(zhì)量；與此同時(shí)，若要選擇較高的速率必須考慮機(jī)械設(shè)備限制。但鋪放速率除了影響鋪放質(zhì)量之外，更重要的是它直接決定了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，鋪放速率越大，產(chǎn)品的生產(chǎn)周期越短，鋪放的生產(chǎn)效率越高。因此，在保證鋪放質(zhì)量的基礎(chǔ)上，考慮到設(shè)備限制的前提下，應(yīng)盡量選擇大的鋪放速率。12增材制造零件的微觀結(jié)構(gòu)特性增材制造零件的機(jī)械性能增材制造材料的工藝參數(shù)3654增材制造零件的光學(xué)特性增材制造零件的常見(jiàn)缺陷增材制造零件的電學(xué)特性第五章增材制造零部件的性能特征

AM制件的微觀結(jié)構(gòu)通?？梢苑譃閮深?lèi)：柱狀微觀結(jié)構(gòu)以及蜂窩細(xì)胞晶枝狀態(tài)結(jié)構(gòu)。5.2.1零件的微觀結(jié)構(gòu)5.2增材制造零件的微觀結(jié)構(gòu)特性（1）柱狀微觀結(jié)構(gòu)

盡管柱狀結(jié)構(gòu)中最常用的材料是Ti6Al4V，但是對(duì)于其他材料（例如Inconel718，Ta和W）也有柱狀結(jié)構(gòu)。5.2增材制造零件的微觀結(jié)構(gòu)特性

Ti6Al4V的凝固范圍小于-263℃，合金元素的分配和相關(guān)的成分過(guò)冷卻過(guò)程受到限制，這導(dǎo)致垂直β晶粒（針狀馬氏體的典型柱狀結(jié)構(gòu)）生長(zhǎng)跨越許多層，它在SLM淬火期間轉(zhuǎn)變?yōu)椤榜R氏體”，并且在EBM中轉(zhuǎn)變?yōu)閷訝瞀?β晶粒。在DED中，微結(jié)構(gòu)在SLM和EBM之間變化，并顯示部分底部和頂部之間的梯度。圖5-3a示出了在SLM之后獲得β晶粒（針狀馬氏體的典型柱狀結(jié)構(gòu)）。在沒(méi)有β晶粒到α晶粒轉(zhuǎn)化的情況下，Ti6Al4V將顯示出如Ta的極端紋理，但β晶粒變換成12個(gè)晶體變體會(huì)形成較弱的紋理。

圖5-3SLM中微觀結(jié)構(gòu)圖（a）（b）5.2增材制造零件的微觀結(jié)構(gòu)特性（2）蜂窩細(xì)胞結(jié)構(gòu)

大多數(shù)材料在蜂窩細(xì)胞晶枝狀態(tài)下固化。蜂窩細(xì)胞結(jié)構(gòu)是在金屬AM制造期間的高冷卻速率下產(chǎn)生的，其在SLM中可達(dá)到-263℃/s。因此，SLM成型件的微觀結(jié)構(gòu)細(xì)小，合金元素飽和，呈現(xiàn)出紊亂和亞穩(wěn)定的特點(diǎn)。在EBM工藝中，高預(yù)熱溫度提供了應(yīng)力消除和原位退火，這造成微觀結(jié)構(gòu)比較粗糙。精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生與鍛造或鑄造材料相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，有時(shí)甚至接近常規(guī)材料在時(shí)效硬化條件下的強(qiáng)度（例如AlSi10Mg）。但它們的延展性通常較低。對(duì)于Ti6Al4V更是如此，因此，大多的研究工作都集中在提高其延展性上，通常是通過(guò)后處理、熱處理或改變工藝參數(shù)等方式來(lái)提高延展性，此外熱等靜壓（HIP）也能改善疲勞強(qiáng)度。5.2增材制造零件的微觀結(jié)構(gòu)特性（3）紋理的變化條件

紋理的變化可通過(guò)改變?cè)鲩L(zhǎng)條件來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如改變層與層之間掃描圖案的旋轉(zhuǎn)方式。研究人員通過(guò)改變掃描速度和激光功率，使平面上蜂窩狀結(jié)晶和混合凝固模式之間產(chǎn)生變化，形成了圖5-4所示的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)肉眼是不可見(jiàn)的，一般可通過(guò)晶體取向的電子反向散射衍射（EBSD）成像得到。如圖5-5所示為通過(guò)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)對(duì)局部紋理的控制圖。圖5-4普通SLM生產(chǎn)時(shí)材料的細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)側(cè)視圖圖5-5通過(guò)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)對(duì)局部紋理的控制圖

基于離散堆積成型的增材制造制件，其表面上會(huì)顯現(xiàn)每一分層之間產(chǎn)生的如臺(tái)階一般的階梯，稱之為“樓梯效應(yīng)”，這種現(xiàn)象在曲面上顯現(xiàn)得更加明顯?！皹翘菪?yīng)”是由于在打印曲面形狀的過(guò)程中，每一分層有一定厚度，相鄰層的形狀輪廓存在變化，呈現(xiàn)出來(lái)即為表面的樓梯，如圖5-6所示。5.2.2零件的外貌5.2增材制造零件的微觀結(jié)構(gòu)特性圖5-6FDM方法打印的藝術(shù)品表面樓梯

“樓梯效應(yīng)”的明顯程度與成型方法和成型參數(shù)有關(guān)，對(duì)FDM而言，具體與噴嘴直徑、分層厚度及成型角度有關(guān)。5.2增材制造零件的微觀結(jié)構(gòu)特性激光打印零件

激光打印的零件，如果激光功率不足，燒結(jié)的粉末顆粒融化不完全，成型件中會(huì)存在大量的間隙；如果激光功率過(guò)大，則會(huì)因?yàn)槿酃淌湛s導(dǎo)致制件翹曲變形。一般來(lái)說(shuō)，SLS（激光選區(qū)燒結(jié)）的成型件表面光潔度較低，因此需要進(jìn)行后處理來(lái)提高制件的表面質(zhì)量。SLM（激光選區(qū)熔融）過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生飛濺、球化、熱變形等現(xiàn)象。一些飛濺的顆粒夾雜在熔池中，使成型件表面粗糙，而且一般飛濺顆粒較大；在鋪粉過(guò)程中，飛濺顆粒直徑大于鋪粉厚度也會(huì)導(dǎo)致鋪粉裝置與成型表面碰撞而產(chǎn)生破壞。5.2增材制造零件的微觀結(jié)構(gòu)特性EBM電子束打印零件

EBM電子束掃描的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生兩種飛濺：第一種飛濺是由熱量累積造成的熔池過(guò)熱沸騰所產(chǎn)生的金屬小液滴的飛濺，會(huì)使制件層面質(zhì)量變得很差；第二種飛濺是由于金屬粉末沒(méi)有熔融而被電子束直接沖開(kāi)，沒(méi)有參與成型，從而使成型的效率很低，甚至使成型無(wú)法進(jìn)行下去。此外，在電子束熔融過(guò)程中也會(huì)有球化現(xiàn)象，從而降低零件的表面質(zhì)量。5.2增材制造零件的微觀結(jié)構(gòu)特性

需要特別注意的是，Al和Al合金的粉末顆粒在表面具有穩(wěn)定的Al2O3層，它會(huì)阻礙顆粒燒結(jié)或熔融聚結(jié)，這對(duì)電子束熔化（EBM）具有負(fù)面影響。為了避免由電子束引起的負(fù)電荷使粉末顆粒排斥，進(jìn)而導(dǎo)致顆粒從粉末床噴出，粉末床需要預(yù)燒結(jié)以使粉末顆粒在熔化之前就黏結(jié)在一起。材料在與氧反應(yīng)時(shí)會(huì)大量放熱（如Mg），如果不在無(wú)氧環(huán)境，AM過(guò)程會(huì)非常危險(xiǎn)。同時(shí)含氧量對(duì)力學(xué)性能也有較大的影響，如Ti6Al4V中較高的氧含量增加了強(qiáng)度，但降低了延展性。因此，在AM過(guò)程中，必須注意盡量減少氧氣、氮?dú)饣蛩郑驗(yàn)樗鼈儠?huì)降低力學(xué)性能和粉末的可回收性。如圖5-7所示為T(mén)i6Al4V的LMD微觀結(jié)構(gòu)。圖5-7Ti6Al4V的LMD微觀結(jié)構(gòu)5.2增材制造零件的微觀結(jié)構(gòu)特性3DP打印零件

3DP成型件的表面質(zhì)量受粉末材料特性的約束。此外，噴頭到粉層的距離也會(huì)影響成型件的表面精度，噴射液滴越容易產(chǎn)生濺射，零件的表面越粗糙。3D打印件打印完畢后，其表面需進(jìn)行細(xì)致的處理。主要的物理后處理方法①表面打磨、拋光，是為了消除“樓梯效應(yīng)”；②去支撐處理，可以使打印件和支撐結(jié)構(gòu)分離；③滲蠟處理，是為了增加打印件的強(qiáng)度。5.2增材制造零件的微觀結(jié)構(gòu)特性（1）順序要求

3D打印件直接后處理包括了打磨、拋光、去支撐、后固化、延壽、著色等處理工藝，前三種屬于物理方法直接后處理，后處理需要按照一定的要求進(jìn)行。

后處理工藝需按一定順序進(jìn)行，以防止互相干擾和影響。后處理工藝的先后順序一般為：去支撐、后固化、打磨、蒸發(fā)、拋光、延壽、著色。如果在進(jìn)行延壽處理后再進(jìn)行打磨處理，毫無(wú)疑問(wèn)會(huì)損壞打印件表面的防護(hù)層。（2）工藝要求

相同的3D打印工藝，其打印件的特點(diǎn)不相同，需要進(jìn)行的后處理也不同；打印材料不同，使用的后處理方法也不同。所以需要根據(jù)打印件的材料種類(lèi)和特點(diǎn)，選擇需要的后處理工藝和合適的工藝參數(shù)。5.2增材制造零件的微觀結(jié)構(gòu)特性（3）精度要求

總的來(lái)說(shuō)，所有的后處理工藝對(duì)打印件的精度都有影響。在實(shí)際操作中，合理的后處理需要根據(jù)打印件的精度要求而定，如果選擇后處理的方式不合適，會(huì)造成打印件的精度不符合要求，導(dǎo)致打印件需進(jìn)行額外的處理甚至使其報(bào)廢。（4）保護(hù)要求

對(duì)3D打印件進(jìn)行后處理時(shí)，要防止對(duì)打印件造成損傷或者使其性能下降。有些處理工藝可能會(huì)降低打印件的使用壽命，如使用著色劑對(duì)金屬打印件著色，易導(dǎo)致銹蝕。常見(jiàn)的打印件的主要的后處理有除粉、表面打磨、浸液體材料、表面涂料等。零件去粉完畢若還需要長(zhǎng)久保存，就需要增加保護(hù)措施。5.2增材制造零件的微觀結(jié)構(gòu)特性

保護(hù)措施

一般會(huì)在零件外表面刷一層防水固化膠增加強(qiáng)度，防止因吸水而使強(qiáng)度減弱；或者將零件浸入一些聚合物中，他們能起到保護(hù)零件的作用，這些聚合物有環(huán)氧樹(shù)脂、氰基丙烯酸酯、熔融石蠟等。處理后的零件應(yīng)兼具防水、堅(jiān)固、美觀、不易變形等特點(diǎn)。有些打印方法還需去除支撐，如FDM方法的后處理除了打磨樓梯，還有去除支撐結(jié)構(gòu)、涂表面保護(hù)材料等。12增材制造零件的微觀結(jié)構(gòu)特性增材制造零件的機(jī)械性能增材制造材料的工藝參數(shù)3654增材制造零件的光學(xué)特性增材制造零件的常見(jiàn)缺陷增材制造零件的電學(xué)特性第五章增材制造零部件的性能特征

孔隙率指散粒狀材料表現(xiàn)體積中材料內(nèi)部的孔隙占總體積的比例?？紫兜闹饕饔檬墙档蛻?yīng)力，防止制件發(fā)生快速斷裂。圖5-8顯示了激光燒結(jié)聚酰胺樣品的重疊應(yīng)力—應(yīng)變曲線，其變化的工程孔隙率范圍在0-40％之間。延展性和強(qiáng)度隨著孔隙率的降低而增加。對(duì)于高孔隙率樣品，斷裂應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度，應(yīng)變測(cè)量的伸長(zhǎng)率也隨之較低。隨著孔隙率的降低，強(qiáng)度顯著增加，接近屈服強(qiáng)度。然而，由于應(yīng)力-應(yīng)變曲線的彈性部分的陡坡，斷裂應(yīng)變?nèi)匀缓艿?，小?0％。對(duì)于10-15％范圍內(nèi)的殘余孔隙率，斷裂應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度并低于拉伸強(qiáng)度，導(dǎo)致可測(cè)量塑性在10-30％之間?？紫堵实陀诩s5％時(shí)，零件恢復(fù)50-60％的全延展性?？紫稌?huì)促使裂紋擴(kuò)展，從而使機(jī)械性能降低，因此制造高密度部件通常是AM工藝優(yōu)化的首要目標(biāo)。5.3.1AM制件殘余孔隙率的影響5.3增材制造零件的機(jī)械性能圖5-8具有不同量的工程化孔隙率的激光燒結(jié)聚酰胺的重疊拉伸試驗(yàn)結(jié)果

后處理可用于緩解或消除AM制件中的缺陷結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵金屬部件的常用方法是熱靜壓法（HIP）。HIP不能完全有效消除所有層間缺陷。例如，氧化物層可能不受HIP的影響，但是，HIP可有效降低孔隙率。5.3增材制造零件的機(jī)械性能

思考：零件后處理有哪些要求

通常，靜態(tài)強(qiáng)度取決于部件的密度以及在制造過(guò)程中形成的微觀結(jié)構(gòu)。與通過(guò)傳統(tǒng)路線（例如鑄造）制造的部件相比，AM制造部件的微觀結(jié)構(gòu)更精細(xì)，因此，一般來(lái)說(shuō)，AM部件的靜態(tài)強(qiáng)度較好。增材制造的金屬中屈服強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度通常等于或大于其鑄造、鍛造或退火對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度，這是由于AM加工期間熔池的快速凝固，形成微細(xì)結(jié)構(gòu)特征，如細(xì)晶?；蛎芗g隔的晶枝。典型霍爾-石料粒度強(qiáng)化描述了材料的屈服強(qiáng)度與平均粒徑之間的關(guān)系：隨著晶粒尺寸的減小或微結(jié)構(gòu)特征的錯(cuò)位運(yùn)動(dòng)，材料的屈服強(qiáng)度增加。AM制成的金屬中的微觀結(jié)構(gòu)特征會(huì)阻礙錯(cuò)位運(yùn)動(dòng)，將會(huì)形成比常規(guī)加工和退火更高的屈服強(qiáng)度。5.3.2靜態(tài)強(qiáng)度5.3增材制造零件的機(jī)械性能

通常，增材制造的材料的屈服強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度無(wú)明顯的各向異性。但是，當(dāng)在凝固期間發(fā)生晶粒的外延生長(zhǎng)時(shí)，細(xì)長(zhǎng)晶粒可以在構(gòu)建方向上生長(zhǎng)，使微結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出紋理特征，或者表現(xiàn)出較好的晶體取向。Ti6Al4V可以進(jìn)行熱處理使微觀組織均勻化，或者使晶粒再結(jié)晶和粗化，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量和極限拉伸強(qiáng)度的降低，如圖5-9所示。另外，如果強(qiáng)度受到明顯的孔隙或融合缺陷的影響，HIP可用于消除和“愈合”樣品中的內(nèi)部孔隙和缺陷，增加延性。

5.3增材制造零件的機(jī)械性能圖5-9Ti6Al4V各工藝中極限拉伸強(qiáng)度與延展性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

熱處理通常會(huì)降低強(qiáng)度，增加延展性。在AM加工過(guò)程中，聚合物材料的強(qiáng)度可能會(huì)受到結(jié)構(gòu)缺陷或?qū)娱g粘附以及分子結(jié)合不足等影響，因此平行于連續(xù)激光路徑或細(xì)絲沉積路徑的部分具有較高強(qiáng)度，而垂直于連續(xù)激光路徑或細(xì)絲沉積路徑的部分強(qiáng)度較低。

材料的彈性模量或剛度隨孔隙度的減小而減小。此外，實(shí)驗(yàn)研究表明在AM中，陶瓷材料能夠制造幾乎沒(méi)有空隙或裂紋的制件。5.3.3剛度5.3增材制造零件的機(jī)械性能圖5-10多孔材料的彈性模量

此外，對(duì)鑄鋼的研究描述了彈性模量與孔的形狀和尺寸之間的關(guān)系，鑄鋼的彈性模量公式為：（5.1）

其中n是經(jīng)驗(yàn)指數(shù)，p0表示在代表性體積元素中允許存在均勻孔隙率的最大值，同時(shí)也是產(chǎn)生零剛度的截?cái)嘀?。n和p0都取決于微結(jié)構(gòu)孔的尺寸和形狀。如圖5-10所示，多孔材料的彈性模量與孔體積分?jǐn)?shù)呈線性關(guān)系。

AM制造零件的微觀結(jié)構(gòu)在制造方向（建造方向與正交于建造方向）方面是各向異性的，并且通常顯示出或多或少明顯的紋理。因此，其拉伸性能（UTS，EL）也是各向異性的。5.3.4拉伸性能5.3增材制造零件的機(jī)械性能5.3增材制造零件的機(jī)械性能（1）AM制件延展性所受限制

AM制件的延展性在很大程度上受到內(nèi)部缺陷的限制，如孔隙率或金屬融合缺陷。圖5-11Ti6Al4V拉伸樣品的斷裂表面內(nèi)部

如右圖5-11所示是由PBF制成并在（a）縱向和（b）橫向（構(gòu)造）方向上進(jìn)行測(cè)試的Ti6Al4V拉伸樣品的斷裂表面，其暴露的缺陷是因聚合物中的層間粘合不足以及陶瓷燒結(jié)過(guò)程中形成的裂紋造成的。（a）縱向（b）橫向

沉積部件的內(nèi)部缺陷和表面粗糙度造成了不連續(xù)的表面，這使得部件容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。應(yīng)力集中降低了材料可承受的最大外應(yīng)力。在金屬材料的加工過(guò)程中，熔合不足容易形成長(zhǎng)的尖銳孔，這些孔導(dǎo)致局部應(yīng)力集中。此外，快速凝固而形成的微細(xì)結(jié)構(gòu)特征會(huì)提升制件強(qiáng)度，但是由于錯(cuò)位運(yùn)動(dòng)受限使得制件延展性降低。5.3增材制造零件的機(jī)械性能5.3增材制造零件的機(jī)械性能AM中細(xì)長(zhǎng)的各向異性晶粒，會(huì)影響垂直于構(gòu)建方向的延展性。

例如，由DED制成的Ti6Al4V中的α相晶界疊加先前的β相晶界，將會(huì)使制件在縱向施加張力時(shí)形成分離晶粒的裂紋，降低零件的延展性，但是，橫向方向的張力不受晶界相位的負(fù)面影響，如圖5-12所示。圖5-12由DEDAM制造的Ti6Al4V的光學(xué)圖像5.3增材制造零件的機(jī)械性能

在聚合材料中，層與層之間的分子結(jié)合不充分和層間孔隙會(huì)造成制件負(fù)載區(qū)間的分層。在燒結(jié)金屬的工藝中，通?？梢杂每紫堵蕘?lái)描述斷裂伸長(zhǎng)率，如圖5-13所示。

大部分可用鋼種的拉伸性能符合AM制造技術(shù)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。見(jiàn)書(shū)表5-1列出了從文獻(xiàn)資料中選擇不同AM技術(shù)的鋼種的屈服強(qiáng)度（YS）和極限抗拉強(qiáng)度（UTS）以及斷裂伸長(zhǎng)率（EL），將其與鍛造材料的參考性能進(jìn)行比較。圖5-13激光燒結(jié)聚酰胺12的伸長(zhǎng)率與相對(duì)孔隙率5.3增材制造零件的機(jī)械性能（2）AM制造的鋁合金的拉伸性能

鋁合金的拉伸性能與屈服性能類(lèi)似。由AM方法產(chǎn)生的細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)有益于增加制件強(qiáng)度。見(jiàn)書(shū)表5-2列出了幾種鋁合金的拉伸性能。

熔融物在AM中的快速凝固造成殘余應(yīng)力累積，這主要是由熔池固化收縮以及在冷卻期間額外的熱收縮引起。兩者都會(huì)造成AM制件中的殘余應(yīng)力顯著增加。除了導(dǎo)致部件翹曲之外，這些殘余應(yīng)力也可以導(dǎo)致部件的裂紋形成和生長(zhǎng)。與靜態(tài)機(jī)械性能相同，金屬材料的疲勞強(qiáng)度主要取決于其微觀結(jié)構(gòu)。但是，表面粗糙度和材料缺陷等加工工藝的固有特性會(huì)極大影響AM制件的疲勞性能。分層制造工藝通常造成表面粗糙度增加，機(jī)械表面處理（例如拋光）可以改善疲勞性能；但是由于材料缺陷，疲勞性能的評(píng)估相當(dāng)困難，比如孔隙率和層粘結(jié)不足會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散點(diǎn)增加，難以比較。通過(guò)熱等靜壓處理這些缺陷，使材料致密化，可以改善疲勞性能從而獲得與鑄造和鍛造材料相當(dāng)?shù)男阅堋?.3.5疲勞強(qiáng)度5.3增材制造零件的機(jī)械性能

研究表明，沖擊韌性受材料特性的影響，不同材料的AM制件表現(xiàn)出不同的沖擊韌性，5.3.6沖擊韌性5.3增材制造零件的機(jī)械性能

比如AlSiMg中的沖擊韌性是各向同性的，縱向和橫向的均值為0.04J/mm2，這是因?yàn)樵摬牧现芯哂邢鄬?duì)等軸晶粒的特征。然而，Al6061中的沖擊能量是各向異性的，水平方向的沖擊能量為0.015J/mm2（沿著構(gòu)造方向斷裂），垂直方向上為0.07J/mm2（沿層方向斷裂）。由于沿著構(gòu)建方向的柱狀晶粒生長(zhǎng)，其沿著構(gòu)建方向產(chǎn)生裂紋路徑，導(dǎo)致在該方向沖擊能量顯著降低。

如左圖5-14所示，來(lái)自兩個(gè)方向的AlSi10Mg中類(lèi)似的斷裂面證實(shí)了斷裂機(jī)制或路徑?jīng)]有變化，而Al6061的斷裂面在方向之間顯示出明顯的差異。由PBF工藝制成的鋁合金樣品的斷裂表面，顯示AlSi10Mg中缺乏方向依賴性斷裂表面，而Al6061中的斷裂表面形成強(qiáng)烈的方向依賴性。圖5-14由PBF工藝制成的鋁合金樣品的斷裂表面

①物理氣相沉積；

②電鍍技術(shù)；

③化學(xué)熱處理；

④加熱固化；

⑤延壽處理。

5.3.7提高零件強(qiáng)度的后處理方法5.3增材制造零件的機(jī)械性能提高零件強(qiáng)度的后處理方法有以下五種5.3增材制造零件的機(jī)械性能（1）物理氣相沉積

物理氣相沉積（physicalvapourdeposition，PVD）是依靠物理方法，利用真空蒸發(fā)、氣相反應(yīng)在工件表面沉積成膜的過(guò)程，是一種環(huán)保型的、有別于傳統(tǒng)成膜方法的現(xiàn)代表面處理技術(shù)。PVD又分為真空蒸鍍、濺射鍍和離子鍍。濺射鍍和離子鍍可以獲得附著性能、致密度優(yōu)異的沉積膜，但是，濺射鍍和離子鍍工藝本身對(duì)沉積膜純凈性容易產(chǎn)生不良的影響，因此，濺射鍍和離子鍍方法不適于純凈性要求極高的膜層的制備。真空蒸鍍的密度和附著性能較差，但真空蒸鍍可以在氣壓很低的高真空中進(jìn)行，并得到純凈性極高的蒸鍍膜層。5.3增材制造零件的機(jī)械性能（2）電鍍技術(shù)

電鍍是指將工件置于含有被沉積的金屬離子的電解液中，通過(guò)外加的直流電，使工件表面覆蓋上一層薄的金屬鍍層，從而達(dá)到防蝕、裝飾、導(dǎo)電、耐磨或?qū)Т拧⒁缀傅饶康牡姆椒?。電鍍是一種用電解方法沉積所需鍍層的一種電化學(xué)過(guò)程，也是一種氧化還原過(guò)程。電鍍的適用范圍很廣，一般不受工件大小和批量的限制，鍍層厚度一般在0.001～1mm。鍍層一般分為防護(hù)性鍍層、功能性鍍層和裝飾性鍍層：防護(hù)性鍍層用來(lái)防止金屬零件的腐蝕，如鍍鎘、鋅、錫等；功能性鍍層一般都有特殊的物理性能要求，如抗高溫鍍層和耐磨性鍍層；裝飾性鍍層主要是通過(guò)電鍍使金屬制品表面轉(zhuǎn)化為金屬的合金或化合物來(lái)改變顏色。5.3增材制造零件的機(jī)械性能（3）化學(xué)熱處理

化學(xué)熱處理是在一定的溫度下，在不同的活性介質(zhì)中，向金屬的表面滲入適當(dāng)?shù)脑?，同時(shí)向金屬內(nèi)部擴(kuò)散以獲得預(yù)期的組織和性能為目的的熱處理過(guò)程，如滲碳、氮化、碳氮共滲、滲硼、滲硫、滲鉻、滲鋁等。（4）加熱固化

加熱固化是通過(guò)加熱，使打印件分子間進(jìn)一步固化，結(jié)構(gòu)進(jìn)一步穩(wěn)定，從而增加打印強(qiáng)度。該方法多用于SLA打印件。（5）延壽處理

延壽處理技術(shù)可以分成三大類(lèi)：一類(lèi)是以消除應(yīng)力為主的工藝方法，一類(lèi)是以表面修形為主的方法，還有一類(lèi)即是表面涂層等改性技術(shù)。AM工藝中，表面改性技術(shù)是主要的延壽方法。5.3增材制造零件的機(jī)械性能打印件延壽后處理的具體方法

AM制件的延壽處理主要是對(duì)高分子材料、金屬材料、陶瓷材料及其復(fù)合材料制成的AM制件進(jìn)行處理。接下來(lái)將分別說(shuō)明AM制件的延壽處理方法。

a)高分子材料：高分子材料的AM制件的延壽處理通常采用化學(xué)處理中的滲樹(shù)脂、滲蠟等技術(shù)，極少使用PVD中的真空蒸鍍處理。b)金屬及合金：金屬材料及合金材料的AM制件表面要求較多，使用得較多的延壽處理方法是電鍍技術(shù)，同時(shí)PVD和化學(xué)熱處理也可用于金屬制件的延壽處理。c)陶瓷：以陶瓷為材料的AM制件，通常使用PVD進(jìn)行延壽處理。d)復(fù)合材料：復(fù)合材料制成的AM制件，按其具體成分，使用的處理工藝有所不同，大部分通過(guò)PVD、電鍍進(jìn)行延壽處理，但也可使用化學(xué)熱處理方法。12增材制造零件的微觀結(jié)構(gòu)特性增材制造零件的機(jī)械性能增材制造材料的工藝參數(shù)3654增材制造零件的光學(xué)特性增材制造零件的常見(jiàn)缺陷增材制造零件的電學(xué)特性第五章增材制造零部件的性能特征AM制件在光學(xué)性質(zhì)上的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在透明度上。其中：①噴射成型工藝可采用具有透明性的還原聚合材料。②快速冷凍成型工藝可以在冰中生產(chǎn)透明部件。③DED工藝通過(guò)使用燈絲側(cè)饋機(jī)構(gòu)用激光光源制造透明石英部件。而其它AM工藝，如噴墨打印、激光燒結(jié)和熔融沉積制造，存在的問(wèn)題是由于內(nèi)部進(jìn)行的表面反射而阻礙透明度。5.4增材制造零件的光學(xué)特性

東京大學(xué)率先探索使用折射率匹配滲透劑來(lái)生產(chǎn)透明激光燒結(jié)部件，將聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）粉末與麥芽糖糊精粘合劑混合，然后用熱固化丙烯酸滲透制備透明噴墨打印部件，如圖5-15所示，左圖為折射率n=1.588的聚苯乙烯激光燒結(jié)成型件；右圖為滲透后的折射率n=1.582的匹配紫外線固化環(huán)氧樹(shù)脂成型件，可以看出經(jīng)過(guò)滲透處理后的成型件的透明度顯著提高。5.4增材制造零件的光學(xué)特性科學(xué)前沿：圖5-15

纖維纏繞方式

使用還原聚合物制成的光學(xué)半透明部件已經(jīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，生產(chǎn)用于骨內(nèi)生長(zhǎng)的3D生物降解支架和用于顱骨成型術(shù)的生物模型。12增材制造零件的微觀結(jié)構(gòu)特性增材制造零件的機(jī)械性能增材制造材料的工藝參數(shù)3654增材制造零件的光學(xué)特性增材制造零件的常見(jiàn)缺陷增材制造零件的電學(xué)特性第五章增材制造零部件的性能特征5.5增材制造零件的電學(xué)特性

制造工藝會(huì)影響材料的最終微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)而影響材料的電學(xué)特性。微觀結(jié)構(gòu)對(duì)電學(xué)性能的影響與導(dǎo)電物質(zhì)（通常為電子）的遷移率有關(guān)。對(duì)于AM聚合物，其電學(xué)性能通常是指保持原材料電絕緣特性以及使用添加劑來(lái)增加材料電導(dǎo)率。通常，通過(guò)添加導(dǎo)電介質(zhì)（如碳）來(lái)實(shí)現(xiàn)AM聚合物電導(dǎo)率的改進(jìn)。舉例：

向聚酰胺12中加入4％納米尺寸的碳黑將電導(dǎo)率從4×10-10S/cm增加到10-4S/cm。當(dāng)在聚酰胺11中混合5％碳多層納米管時(shí)，與聚酰胺12類(lèi)似，由于改變聚合物內(nèi)納米管的混合和分布，其導(dǎo)電性從10-11S/cm提高到10-4S/cm。5.5增材制造零件的電學(xué)特性實(shí)際應(yīng)用：

增材制造已經(jīng)應(yīng)用于放電加工（EDM）的金屬和塑料制成的電極。激光熔化用來(lái)生產(chǎn)具有25％孔隙率和1.938S/cm電導(dǎo)率的TiB2-CuNi復(fù)合材料。激光熔化工藝將63Mo-37（90Cu-10Ni）預(yù)混粉末用來(lái)生產(chǎn)EDM電極，試驗(yàn)結(jié)果表明，Mo復(fù)合材料節(jié)省了相對(duì)于實(shí)心銅電極材料的一半。12增材制造零件的微觀結(jié)構(gòu)特性增材制造零件的機(jī)械性能增材制造材料的工藝參數(shù)3654增材制造零件的光學(xué)特性增材制造零件的常見(jiàn)缺陷增材制造零件的電學(xué)特性第五章增材制造零部件的性能特征①球化現(xiàn)象；②裂紋；③失真和分層；④表面光潔度差；⑤化學(xué)降解和氧化。5.6.1常見(jiàn)的缺陷類(lèi)型5.6增材制造零件的常見(jiàn)缺陷5.6增材制造零件的常見(jiàn)缺陷（1）球化現(xiàn)象球化現(xiàn)象，是導(dǎo)致孔隙度、微裂紋或表面光潔度差等物理缺陷現(xiàn)象的原因之一。原因：當(dāng)液體材料由于表面張力不能潤(rùn)濕下面的基底時(shí)，加工條件的不穩(wěn)定使液體球化，這將導(dǎo)致在加工過(guò)程中粗糙的珠狀掃描軌跡（例如在粉末激光熔合過(guò)程中），進(jìn)而增加制件的表粗糙度和內(nèi)部孔隙率。5.6增材制造零件的常見(jiàn)缺陷

如圖5-16所示，顯示的是粉末床的頂面，以指定的200mm/s激光功率進(jìn)行單次垂直激光掃描，可以明顯地看到粉末球化現(xiàn)象。同時(shí)，由于污染也會(huì)降低潤(rùn)濕程度，因此及時(shí)清理非常重要，要盡量減少加工過(guò)程中的氧化膜和污染物，多孔性是AM制件中的常見(jiàn)缺陷。圖5-16316L不銹鋼SLM低激光功率下的球化現(xiàn)象5.6增材制造零件的常見(jiàn)缺陷（2）裂紋

由于多種原因，裂紋是AM成型工藝中常出現(xiàn)的嚴(yán)重問(wèn)題?；诩す獾腁M金屬工藝（激光燒結(jié)，SLM等）引入大量的熱量，熔池的快速收縮或固體材料中的高溫梯度，在AM材料中形成的裂紋如圖5-18所示，圖5-18（a）是HastelloyC276金屬超合金SLM中產(chǎn)生的裂紋，圖5-18（b）是未經(jīng)預(yù)熱的SLS/SLM制成的氧化鋁陶瓷件，圖5-18（c）是乙烷醇氧化物懸浮液滲透氧化鋁間接SLS產(chǎn)生的裂縫。顯然，耐熱沖擊性較差的材料（陶瓷或脆性金屬）更容易產(chǎn)生裂紋。此外，粘合劑材料造成的偏析和干燥收縮也可能引起裂紋。圖5-18AM材料中形成的裂紋5.6增材制造零件的常見(jiàn)缺陷

如圖5-17所示，孔隙率可以表現(xiàn)為不規(guī)則的孔隙，圖5-17（a）是Ti6Al4V熔化不充分產(chǎn)生的孔隙，圖5-17（b）是AlSi10Mg中有氣體產(chǎn)生的孔隙，圖5-17（c）在聚合物彈性體中缺乏熔合和蒸發(fā)而產(chǎn)生的空氣。因此若在熔融邊界處有孔隙，這是由于收縮，熔化不充分，或材料進(jìn)料不足造成；若是在熔融區(qū)域內(nèi)有球形孔隙，通常是由被困氣體、熔融區(qū)域中的湍流、材料蒸發(fā)等造成。圖5-17多孔性現(xiàn)象5.6增材制造零件的常見(jiàn)缺陷（3）失真和分層扭曲、翹曲、偏轉(zhuǎn)是材料加工缺陷。原因:它是材料體積變化（例如光固化中聚合收縮或FDM中擠出的加熱塑料細(xì)絲的收縮）或部件內(nèi)的較大的熱梯度引起的應(yīng)力所致的缺陷。在極端情況下，偏轉(zhuǎn)可能會(huì)導(dǎo)致分層，這取決于材料特性、加工參數(shù)和加工方法。圖5-19SLM部件的變形和分層由SLM部件的變形和分層的示例如上圖5-19所示，（a）為鋼基SLM材料變形的實(shí)驗(yàn)和模擬量；（b）為沿惰性氣體流動(dòng)循環(huán)（刺激較大的熱梯度）制成的不銹鋼SLM部件中的分層。5.6增材制造零件的常見(jiàn)缺陷（4）表面光潔度差

表面光潔度差是AM制件的另一個(gè)問(wèn)題，由許多復(fù)雜因素造成；例如與層厚度和制件的“樓梯效應(yīng)”，粗沉積珠（例如FDM中的粗絲或巧克力打印機(jī)中的大型擠壓巧克力珠），工具精度（例如，大電子束熱EBM中的受影響的電場(chǎng)），表面張力和半熔融粉末（例如附著到SLM中下表面的粉末和支撐材料）等有關(guān)。表面光潔度也可能由使用材料的老化而引起，例如，SLS中廣泛使用的聚酰胺粉末可能導(dǎo)致表面質(zhì)量差，表現(xiàn)為桔皮表面。雖然可以使用較小的沉積珠（或粉末）和降低層厚度來(lái)改善表面粗糙度，但是這種做法可能降低生產(chǎn)率。復(fù)雜AM制件的表面光潔度差，需要后處理，如噴砂、機(jī)械研磨、激光拋光、化學(xué)蝕刻等。5.6增材制造零件的常見(jiàn)缺陷（5）化學(xué)降解和氧化在許多AM工藝（特別是經(jīng)受高溫的工藝）中，必須嚴(yán)格控制大氣條件（如氧含量，濕度等）。這是為了防止最小化降解和氧化。除大氣條件外，較高的能量輸入或工作溫度及加工參數(shù)也可以增加化學(xué)降解和氧化。圖5-20SLS期間的煙霧

如圖5-20所示，一些聚合物在SLS中的較高激光能量下導(dǎo)致產(chǎn)品降解和解聚，產(chǎn)生不必要的煙霧，降低了制件機(jī)械性能。

在利用激光熔融沉積工藝制造大型構(gòu)件時(shí)，高功率激光束長(zhǎng)期循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其中的主要工藝參數(shù)、外部環(huán)境、熔池熔體狀態(tài)的波動(dòng)和變化、掃描填充軌跡的變換等不連續(xù)和不穩(wěn)定，都可能在零件內(nèi)部沉積層與沉積層之間、沉積道與沉積道之間、單一沉積層內(nèi)部等局部區(qū)域產(chǎn)生各種特殊的內(nèi)部缺陷，（如層間及道間局部未熔合、氣隙、卷入性和析出性氣孔、微細(xì)陶瓷夾雜物、內(nèi)部特殊裂紋等）這都最終影響成型零件的內(nèi)部質(zhì)量、力學(xué)性能和構(gòu)件的使用安全性。5.6.2不同材料的缺陷類(lèi)型5.6增材制造零件的常見(jiàn)缺陷（1）金屬零件的常見(jiàn)缺陷5.6增材制造零件的常見(jiàn)缺陷增材制造技術(shù)成型機(jī)理的固有特性——“瞬態(tài)熔凝過(guò)程”會(huì)導(dǎo)致制件內(nèi)部形成微觀缺陷，如裂紋、空洞等，其產(chǎn)生的原因包括工藝參數(shù)配置不當(dāng)、內(nèi)應(yīng)力以及熔合不良等。鈦合金本身所特有的優(yōu)良的塑性性能，其制件往往很少出現(xiàn)裂紋，但在制件內(nèi)部大多存在微氣孔以及熔合不良等缺陷。成型件內(nèi)部的氣孔形貌呈球形，在成型件內(nèi)部的分布具有隨機(jī)性，氣孔是否形成取決于粉末材料的松裝密度等特性，氧含量對(duì)氣孔的形成沒(méi)有影響。熔合不良缺陷形貌一般呈不規(guī)則狀，主要分布在各熔覆層的層間。5.6增材制造零件的常見(jiàn)缺陷激光快速成型容易產(chǎn)生開(kāi)裂，裂紋，多發(fā)生在樹(shù)枝晶的晶界，呈現(xiàn)出典型的沿晶開(kāi)裂特征。熔覆層中的裂紋是凝固裂紋，屬于熱裂紋范疇。裂紋產(chǎn)生的主要原因是熔覆層組織在凝固溫度區(qū)間晶界處的殘余液相受到熔覆層中的拉應(yīng)力作用所導(dǎo)致的液膜分離。此外，激光增材制造的瞬態(tài)熔凝過(guò)程所產(chǎn)生的極高的溫度梯度，極易在制件內(nèi)部形成封閉的內(nèi)應(yīng)力。5.6增材制造零件的常見(jiàn)缺陷（2）陶瓷零件的常見(jiàn)缺陷現(xiàn)階段，可采用增材制造的陶瓷材料主要包括氧化鋯、氧化鋁、硼化鋯等。由于整個(gè)加工過(guò)程是快速加熱和快速冷卻的過(guò)程，在制品中會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，容易出現(xiàn)熱裂紋。陶瓷本身具有脆性大、膨脹系數(shù)低等特點(diǎn)，所以無(wú)論是直接法還是間接法，在成型體積較大的部件時(shí)還存在一定的困難。而且在制造小型部件時(shí)也容易產(chǎn)生孔洞和表面裂紋。盡管通過(guò)預(yù)熱可以減少熱裂紋和內(nèi)應(yīng)力，但是過(guò)高的預(yù)熱溫度會(huì)形成較大的熔池，導(dǎo)致表面粗糙、精度降低。5.6增材制造零件的常見(jiàn)缺陷（3）塑料零件的常見(jiàn)缺陷由于FDM工藝打印制件時(shí)，在打印過(guò)程中從底層到頂層具有一定的溫度梯度，不像注塑成型制件靠外界壓力壓模成型，層與層靠材料冷卻后自然結(jié)合的分子力粘結(jié)在一起，從而導(dǎo)致強(qiáng)度有所下降。而且層與層之間在沉積過(guò)程中留有一定孔隙，造成層與層之間粘結(jié)力不足，使強(qiáng)度低于注塑成型的制件。

（1）簡(jiǎn)述增材制造材料不同加工工藝的工藝參數(shù)。（2）為什么要進(jìn)行后處理？主要物理后處理的方法？（3）提高零件性能的后處理方法有哪些？分別提升了零件的哪些性能？（4）增材制造零件常見(jiàn)的缺陷有哪些？造成這些缺陷的原因是什么？如何改善？

本章作業(yè)

文獻(xiàn)推薦[1] 付麗敏.走進(jìn)3D打印世界[M].清華大學(xué)出版社,2016.[2] 邵忠喜.纖維鋪放裝置及其鋪放關(guān)鍵技術(shù)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010.[3] ABIOYETE,FARAYIBIPK,KINNELP,etal.FunctionallygradedNi-Timicrostructuressynthesisedinprocessbydirectlasermetaldeposition[J].TheInternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology,2015,79(5):843-50.[4]

ABIOYETE,FARAYIBIPK,MCCARTNEYDG,etal.EffectofcarbidedissolutiononthecorrosionperformanceoftungstencarbidereinforcedInconel625wirelasercoating[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2016,231(89-99.[5]

BOURELLD,KRUTHJP,LEUM,etal.Materialsforadditivemanufacturing[J].CIRPAnnals,2017,66(2):659-681.增材制造技術(shù)

第6章增材制造的主要研究方向增材制造的幾何設(shè)計(jì)材料設(shè)計(jì)計(jì)算工具制造工藝本章重點(diǎn)本章重難點(diǎn)本章難點(diǎn)增材制造的幾何設(shè)計(jì)材料設(shè)計(jì)12材料設(shè)計(jì)計(jì)算工具增材制造的幾何設(shè)計(jì)34制造工藝

對(duì)于3D模型的表示方法一直是增材制造的重要研究方向之一，由于現(xiàn)階段的表示方法存在失真的缺陷，研究更為準(zhǔn)確及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的表示模型一直是近年來(lái)的熱門(mén)研究方向。

基于邊界表示（B-rep）的實(shí)體建模

對(duì)于基于B-rep實(shí)體建模的AM技術(shù)，一個(gè)突出挑戰(zhàn)是數(shù)值穩(wěn)定性的問(wèn)題，具體來(lái)說(shuō)，就是如何以可靠的方式使用近似算法來(lái)計(jì)算模型（或模型和切片平面）之間的交集。目前，主流AM產(chǎn)品采用STL文件格式來(lái)表示模型，但是這種方式可能在計(jì)算過(guò)程中產(chǎn)生數(shù)值誤差。

基于體素表示的實(shí)體建模

實(shí)體模型的最基本的體積表示法是基于體素表示。體素表示可以直接從CT或MRI的體積圖像中獲得，因此在醫(yī)療領(lǐng)域這種方法有十分廣泛的應(yīng)用。但是，基于體素表示仍有缺陷，一個(gè)主要問(wèn)題是其巨大的存儲(chǔ)消耗，因此一些研究方法只能夠在本地計(jì)算中進(jìn)行。6.1.13D模型的多重表示6.1

增材制造的幾何設(shè)計(jì)6.1

增材制造的幾何設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段較好的替代方法是使用具有更好記憶效率的ray-rep參與體素表示。ray-rep中的實(shí)體模型由指定方向上的一組平行固體表示，它僅允許存儲(chǔ)進(jìn)出點(diǎn)，因此可以有效節(jié)省記憶空間。

最新的研究如圖6-1所示，用ray-rep的變體來(lái)表示AM模型，稱為分層深度-正常圖像（LDNI），具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模型可以通過(guò)基于LDNI的實(shí)體建模內(nèi)核有效處理，在高并行GPU上進(jìn)行計(jì)算。圖6-1基于LDNI的實(shí)體建模

這種表示方法能運(yùn)用于高并行計(jì)算機(jī)，并且能以離散的方式支持多種材料。此外，LDNI可以緊湊存儲(chǔ)，因此可以在消費(fèi)級(jí)GPU上處理具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模型。還有其他方法也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)異構(gòu)對(duì)象的表示。但是，自適應(yīng)采樣策略需要克服由大曲率區(qū)域的大形狀近似誤差引起的混疊問(wèn)題。增材制造的輸入3D模型通常是由多邊形網(wǎng)格表示，如STL和OBJ文件格式。這些多邊形模型致密且多樣。但是，三角形表面會(huì)有三角形退化，自相交，間隙和裂紋等問(wèn)題。由于AM中的層間打印過(guò)程，自相交和裂紋通常會(huì)使切片算法不穩(wěn)定甚至不能制造。使用CAD軟件的用戶在早期設(shè)計(jì)階段難以預(yù)防和解決上述問(wèn)題，因此，在打印之前將幾何正則化過(guò)程應(yīng)用于3D多邊形模型就變得至關(guān)重要。有研究工作組提出了一種采用分層深度正常圖像（LDNI）表示的幾何正則化方法?；贚DNI表示，3D模型可以穩(wěn)定有效地進(jìn)行修復(fù)。6.1

增材制造的幾何設(shè)計(jì)6.1

增材制造的幾何設(shè)計(jì)6.1.2AM制造的幾何加工AM的幾何加工包括中空、增厚、切片和支撐生成。中空和增厚為了節(jié)省制作時(shí)間和減少重量，3D模型在切片前通常是空心的。最新研究表明使用dexels作為中空表示法可以提高偏移計(jì)算的效率和穩(wěn)定性。為進(jìn)一步提高計(jì)算的穩(wěn)定性，可以采用基于LDNI的表示法，用帶符號(hào)距離和CSRBFs來(lái)計(jì)算無(wú)交叉偏移。由于打印件內(nèi)部空心，在某些部分可能導(dǎo)致強(qiáng)度不足，因此還需要增厚操作，將開(kāi)放式表面模型轉(zhuǎn)換為具有用戶指定的厚度的殼模型。切片給定一個(gè)準(zhǔn)備AM的模型，一個(gè)重要的預(yù)處理是將模型轉(zhuǎn)換成用于指導(dǎo)AM機(jī)器運(yùn)行的數(shù)據(jù)。常用的方法是將模型分成一組平行的平面形狀，這個(gè)過(guò)程稱為分層切片。在這個(gè)過(guò)程中計(jì)算機(jī)用相應(yīng)的方法制定復(fù)雜的自適應(yīng)切片策略，根據(jù)曲率變化生成不同厚度的層。但是這一過(guò)程可能導(dǎo)致由自相交輪廓引起的內(nèi)外區(qū)域錯(cuò)誤分類(lèi)。最新研究提出了一種在圖像空間中使用可靠輪廓的一種特別的方法來(lái)制造具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的對(duì)象。支撐生成支撐結(jié)構(gòu)通常在打印過(guò)程中產(chǎn)生，以支撐突出部分和大的平坦壁，保持部件的穩(wěn)定性，并防止過(guò)度收縮。不同的AM工藝過(guò)程以不同的方式產(chǎn)生支撐。6.1

增材制造的幾何設(shè)計(jì)FDM工藝中，主要通過(guò)計(jì)算相鄰層之間的面積差異來(lái)產(chǎn)生支撐。（a）支持FDM（b）支持SLASLA工藝通過(guò)識(shí)別突出區(qū)域并將錨點(diǎn)與桿連接來(lái)添加支撐結(jié)構(gòu)。FDM和SLA工藝可通過(guò)在圖像空間中生成支撐的方法，如圖6-2所示?；贕PU的執(zhí)行操作也與LDNI表示法一起開(kāi)發(fā)。圖6-2圖像空間中的支撐生成6.1

增材制造的幾何設(shè)計(jì)6.1.3驗(yàn)證、修復(fù)和增強(qiáng)由于現(xiàn)有的建模、切片方法極易產(chǎn)生缺陷，市面上較好商用3D打印機(jī)都配備有專(zhuān)門(mén)修復(fù)模塊。針對(duì)在轉(zhuǎn)換過(guò)程中的失真及缺陷，研究如何驗(yàn)證，修復(fù)和增強(qiáng)模型已經(jīng)成為了一大研究方向。6.1.4AM的高性能計(jì)算（HPC）復(fù)雜的幾何體的打印對(duì)計(jì)算機(jī)的處理能力提出非常高的要求。在復(fù)雜幾何體的構(gòu)建過(guò)程中，為了減小誤差，需要的多邊形數(shù)量將十分龐大，為了處理這些數(shù)量龐大的多邊形，以及能夠在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中合理切片，計(jì)算機(jī)必須具備強(qiáng)大的計(jì)算處理能力，這將直接關(guān)系到制造能否進(jìn)行。提升復(fù)雜幾何形狀的建模效率的研究工作已經(jīng)大量進(jìn)行。引入了HPC技術(shù)，包括PC集群、多核、CPU和GPU，以加速實(shí)體建模，切片和支撐件生成。在當(dāng)前的研究中，PC集群，多核CPU和高并行GPU集成加速，基于GPU的硬件加速以及在基于體素表示、三角形網(wǎng)格表示和GPU的多個(gè)核心偏移等方法都具有十分廣泛的研究前景。6.1

增材制造的幾何設(shè)計(jì)6.1.5特效優(yōu)化

有些研究是專(zhuān)門(mén)用于通過(guò)輸入模型的幾何優(yōu)化來(lái)產(chǎn)生制造產(chǎn)品的特殊效果。

如，為了打印大型模型，在系統(tǒng)中引入了一種分割方法，將3D模型分解成可打印部分，然后組裝得到最終結(jié)構(gòu)。有些作品著重于創(chuàng)建具有特定動(dòng)態(tài)屬性的模型。如國(guó)外的研究者提出了一種用初始輸入變形來(lái)生成可以獨(dú)立存在的模型方法等。6.2材料設(shè)計(jì)3D打印技術(shù)的發(fā)展為材料方向的研究提供了一個(gè)更為廣闊的平臺(tái)。在這一領(lǐng)域材料的種類(lèi)得到極大的擴(kuò)充，從傳統(tǒng)的工業(yè)用料到建筑、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域再到生活中的各種食品用品，不同領(lǐng)域的不同材料能夠得到充分地挖掘。在材料的性能方面，3D打印能夠結(jié)合打印目標(biāo)的幾何形狀、層次和尺寸大小對(duì)不同特征進(jìn)行協(xié)同分析，這種功能需要與計(jì)算建模、納米和微觀力學(xué)以及最先進(jìn)的原位顯微鏡機(jī)械實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。這種組合計(jì)算、原型以及實(shí)驗(yàn)方法可以為許多機(jī)制概念證明打下基礎(chǔ)。材料的性能最終影響著產(chǎn)品的各項(xiàng)性能，而且這種影響是具有決定性的。因此，對(duì)于增材技術(shù)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，研究材料、設(shè)計(jì)材料是一個(gè)重要的研究方向。6.2材料設(shè)計(jì)6.2.1具有受控結(jié)構(gòu)的合成異質(zhì)材料通過(guò)層與層建立物理模型，不同的AM工藝可以用低成本構(gòu)建復(fù)雜的幾何體，這對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)將是個(gè)巨大的機(jī)會(huì)。它可以涉及的領(lǐng)域十分廣泛，包括生物工程、航空航天和汽車(chē)等。性能設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)單個(gè)元件的幾何構(gòu)造，例如支柱和梁的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，若是材料可以受人為控制得到不同的結(jié)構(gòu)，那么就可以直接實(shí)現(xiàn)理想的構(gòu)建所需的功能。這將省去一些繁瑣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程，對(duì)于拓展材料性能，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件新功能具有突破性的意義。但是，依據(jù)給定的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)具有優(yōu)化性能的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工作仍有很大的挑戰(zhàn)性。當(dāng)前，AM過(guò)程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法通?？煞譃樽韵露匣蜃陨隙隆?.2材料設(shè)計(jì)自下而上的方法：使用設(shè)計(jì)的單位結(jié)構(gòu)

單一桁架是一種簡(jiǎn)單類(lèi)型的結(jié)構(gòu)，它在每個(gè)方向上都有均勻重復(fù)的單位元件（微結(jié)構(gòu)）。使用周期性三角函數(shù)來(lái)模擬晶格結(jié)構(gòu)。從均勻的桁架延伸，可以通過(guò)改變?cè)诮o定模型的單個(gè)單元中的微結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸和連接方式來(lái)比較容易地產(chǎn)生異質(zhì)結(jié)構(gòu)（例如，使用體素集作為細(xì)胞支架）。然后，可以在每個(gè)單位單元格中填充來(lái)自單位單元結(jié)構(gòu)庫(kù)的設(shè)計(jì)幾何要素來(lái)完成最終設(shè)計(jì)。分子測(cè)試公司在20世紀(jì)90年代開(kāi)始使用AM方法開(kāi)創(chuàng)周期性纖維素結(jié)構(gòu)的制造。自上而下的方法：基于拓?fù)鋬?yōu)化拓?fù)鋬?yōu)化是一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化，它首先確定結(jié)構(gòu)體的整體形狀、形狀元素的布置以及設(shè)計(jì)領(lǐng)域的連接方式。AM工藝擁有的復(fù)雜形狀制造能力為拓?fù)鋬?yōu)化提供了大量的產(chǎn)品設(shè)計(jì)試驗(yàn)平臺(tái)。拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)運(yùn)算包含兩大類(lèi)：離散化和連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化。其中，為桁架拓?fù)湓O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的分立結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法屬于地面結(jié)構(gòu)方法，而數(shù)值計(jì)算理論以及基于地面結(jié)構(gòu)方法的線性或非線性規(guī)劃技術(shù)主要是建立在最小化柔度或最大化剛度的基礎(chǔ)上。6.2材料設(shè)計(jì)6.2.2組合材料的設(shè)計(jì)

幾何建模處理在3D空間中表示對(duì)象，材料建模給出對(duì)象內(nèi)部每個(gè)部分的材料信息。當(dāng)前的研究致力于用多種材料建模和編輯定制功能設(shè)計(jì)方法直接計(jì)算結(jié)構(gòu)件中的材料分布。（1）多種材料建模與編輯材料異質(zhì)性（如多材料、合成功能梯度材料（FGM）或甚至不規(guī)則材料）分布可以表示材料集或材料空間。模型的數(shù)據(jù)表示以及材料的分布方法將異構(gòu)對(duì)象的表示分為三個(gè)類(lèi)別：（1）評(píng)估模型（2）未評(píng)估模型（3）復(fù)合模型。其中，評(píng)估模型通過(guò)密集的空間細(xì)分呈現(xiàn)異構(gòu)物體，典型模型是體素模型和體積網(wǎng)格模型。體素模型適用于通過(guò)CT或MRI掃描收集的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)。體積網(wǎng)格模型使用多面體的集合來(lái)表示3D模型。未評(píng)估模型需要使用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)表達(dá)式，如分析功能表征，它是基于單一特征的模型和多種特征模型綜合表示異質(zhì)材料分布，因此這種方法是在數(shù)學(xué)上十分常見(jiàn)。6.2材料設(shè)計(jì)（2）定制功能設(shè)計(jì)當(dāng)前的工業(yè)設(shè)計(jì)通常將單一制成的并滿足預(yù)定功能的部件作為設(shè)計(jì)依據(jù)，AM的出現(xiàn)提供了異構(gòu)和多功能設(shè)計(jì)的新穎方式。許多AM的設(shè)計(jì)實(shí)例在物質(zhì)生態(tài)學(xué)的特殊問(wèn)題上得到運(yùn)用。有研究人員通過(guò)引入了一種計(jì)算方法來(lái)協(xié)調(diào)功能與靈活性；還有人開(kāi)發(fā)了一種體素方法，用于數(shù)字制造定制的擬合插座。各種具有機(jī)械、電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)的異質(zhì)物體也可以使用多材料3D打印機(jī)制造。設(shè)計(jì)人員希望直接指定設(shè)計(jì)組件的功能，而不是僅僅從表面上指定材料組成的對(duì)象來(lái)間接實(shí)現(xiàn)所需要的功能。

除了結(jié)構(gòu)性能外，還可以用多種材料的增材制造工藝來(lái)設(shè)計(jì)外觀性能。在進(jìn)一步的深入研究中，研究者們需要針對(duì)特定的增材制造過(guò)程創(chuàng)新開(kāi)發(fā)，有利于在大型設(shè)計(jì)空間的探索。如圖6-3所示，受控鞋接觸壓力圖，頂排為材料分布的體積渲染；底部為接觸壓力；左列是下面獲得的輸入均質(zhì)材料分布；第二、第三和第四列給出了目標(biāo)恒壓分布下的結(jié)果。6.2材料設(shè)計(jì)圖6-3受控鞋接觸壓力圖6.2.3高性能結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)6.2材料設(shè)計(jì)合成功能梯度材料（FGM）在AM的諸多研究當(dāng)中有著廣泛的研究前景。FGM通過(guò)逐漸改變微觀結(jié)構(gòu)的組成，得到性能最優(yōu)的制件。FGM可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行局部特性的設(shè)計(jì)，從而定制同一部件內(nèi)的機(jī)械、熱學(xué)以及電學(xué)特性。FGM材料的設(shè)計(jì)方式有離散或連續(xù)變化兩種方式。對(duì)于前者，當(dāng)構(gòu)建零件時(shí)，每個(gè)層鋪設(shè)不同的材料，使得生成件的性質(zhì)逐級(jí)改變。對(duì)于后者，由于不同材料之間的變化被劃分得更加精細(xì)，生成件的性質(zhì)將呈現(xiàn)一種連續(xù)變化的趨勢(shì)。圖6-4顯示了由AM構(gòu)建的功能梯度金屬矩陣復(fù)合體的示例，原始功能梯度TiC/IN690顯微照片，底部二進(jìn)制圖像從0轉(zhuǎn)換到37％體積比。AM的這種材料設(shè)計(jì)能力將大大改變工程產(chǎn)品的未來(lái)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)件的形狀將不再受所使用材料的性質(zhì)的限制，因此設(shè)計(jì)師將具有更多的設(shè)計(jì)空間。AM在材料設(shè)計(jì)方面的另一個(gè)研究方向就是合成高性能材料。市場(chǎng)對(duì)具有高強(qiáng)度和耐久性的先進(jìn)高性能結(jié)構(gòu)材料有強(qiáng)烈需求，希望得到輕質(zhì)、低成本、性能新穎的組合材料。通常，工程產(chǎn)品中的高性能材料的使用受到其復(fù)雜3D形狀的限制。通過(guò)機(jī)械加工或其他工藝對(duì)這些高性能材料進(jìn)行后處理，由于難度很大且價(jià)格昂貴，并且有時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。AM是在工程產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)這種材料設(shè)計(jì)的有效途徑。波士頓創(chuàng)業(yè)公司MarkForged15發(fā)布了第一款能夠用碳纖維打印的3D打印機(jī)，其具有比6061-T6鋁更高的強(qiáng)度重量比。中國(guó)的Avic重型機(jī)械制造出AM型鈦合金飛機(jī)主要承重部件，這種部件大多用于隱形戰(zhàn)機(jī)。6.2材料設(shè)計(jì)在工業(yè)領(lǐng)域，某航空公司宣稱到2020年，將有超過(guò)10萬(wàn)個(gè)結(jié)構(gòu)部件使用AM進(jìn)行制造，包括為L(zhǎng)eap發(fā)動(dòng)機(jī)建造改進(jìn)的燃料噴嘴。更普遍的是，AM已經(jīng)制造了一個(gè)可立即用來(lái)制造和應(yīng)用的模具，例如具有適形冷卻的注射模具，靠近工件表面的冷卻通道的模具可以設(shè)計(jì)出復(fù)雜的形狀，從而節(jié)省循環(huán)時(shí)間以及減少每個(gè)循環(huán)的熱能。公司報(bào)告稱，由AM制造的適形冷卻模具節(jié)省了大量能源和循環(huán)時(shí)間。6.2材料設(shè)計(jì)圖6-4原始功能梯度TiC/IN690顯微照片6.2.4自組裝和可編程材料6.2材料設(shè)計(jì)當(dāng)前AM技術(shù)廣泛用于打印復(fù)雜形狀的獨(dú)立部件，用戶仍然花費(fèi)數(shù)小時(shí)的體力勞動(dòng)來(lái)實(shí)際組裝這些零件。因此，具有自適應(yīng)、自組裝、可重新配置性能的活性材料受到研究者的廣泛關(guān)注。這種材料可隨環(huán)境需要自動(dòng)對(duì)自身的相關(guān)性質(zhì)甚至是材料形態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，如熱電材料。隨著這些能力在制造過(guò)程中的實(shí)現(xiàn)，材料的機(jī)械性能和結(jié)構(gòu)特征在面對(duì)外界刺激（如溫度和壓力改變）時(shí)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化以調(diào)節(jié)適應(yīng)。研究人員指出：組裝錯(cuò)誤、冗余度的增加和適應(yīng)大型系統(tǒng)的困難是生產(chǎn)與AM工藝相結(jié)合的高性能自組裝結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。6.2材料設(shè)計(jì)6.2.5生物與仿生復(fù)合材料的設(shè)計(jì)自然材料由于數(shù)百萬(wàn)年的積累所表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能，是人造材料目前所無(wú)法達(dá)到的。圖6-5顯示了工程材料和生物材料的韌性與剛度特性曲線。與典型工程材料相比，在不降低剛度和強(qiáng)度的條件下，生物復(fù)合材料具有更高的韌性。研究大自然中材料的成型機(jī)制，調(diào)查其基本力學(xué)特性，可以為AM提供必要的支撐。許多環(huán)保的、超高性能和多功能生物材料已投入廣泛研究。早期的工作集中在多種腹足動(dòng)物和雙葉的生物礦化組織，3D打印最先用來(lái)測(cè)試珍珠層微結(jié)構(gòu)的形態(tài)特征的假設(shè)。圖6-5工程材料和生物學(xué)材料的韌性與剛度特性曲線6.3計(jì)算工具隨著低成本3D打印機(jī)的快速增長(zhǎng)，現(xiàn)階段，設(shè)計(jì)人員已經(jīng)可以利用新型3D打印機(jī)來(lái)構(gòu)造普通工具難以創(chuàng)建的復(fù)雜的3D模型。這需要對(duì)設(shè)計(jì)工具進(jìn)行大量的開(kāi)發(fā)。本節(jié)介紹目前在開(kāi)發(fā)AM的3D建模和掃描工具方面的研究工作。6.3.1自然用戶界面（NUI）驅(qū)動(dòng)形狀建模沒(méi)有三維形狀建模的進(jìn)展，AM技術(shù)將不會(huì)成功。傳統(tǒng)建模工具中存在的局限性阻礙了AM技術(shù)的發(fā)展。這種計(jì)算工具是高度程序性的，需要經(jīng)過(guò)一定的培訓(xùn)和實(shí)踐才能有效利用。因此，對(duì)于缺乏技術(shù)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的新手設(shè)計(jì)師、普通公眾以及孩子來(lái)說(shuō)，他們?cè)谡J(rèn)識(shí)上比較困難。此外，這些工具并不通俗，不利于早期設(shè)計(jì)。隨著認(rèn)知學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)和人機(jī)交互的結(jié)合，研究計(jì)算建模和仿真的設(shè)計(jì)人員一直希望通過(guò)多代表和多模式的方式研究NUI驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)和建模工具的開(kāi)發(fā)。6.3計(jì)算工具（1）基于草圖的設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的WIMP（窗口、圖標(biāo)、菜單、指針）界面系統(tǒng)將描繪的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為3D模型之前，2D繪圖通常在概念設(shè)計(jì)階段起到圖像表示的作用。過(guò)去十年，基于草圖的建模界面（SBIM）通常使用自然和快速的草圖交互的方法創(chuàng)建編輯數(shù)字模型。有研究者通過(guò)搜索、模板檢索、“建設(shè)性”系統(tǒng)以及直接從草圖重建和變形對(duì)象等方法將基于筆畫(huà)的SBIM分類(lèi)為“喚醒”系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，筆、雙手和多點(diǎn)觸摸的交互性大大提高，它為設(shè)計(jì)師在草圖和建模工作流程中提供更便捷的方法。（2）基于手勢(shì)的建模隨著最近低成本3D輸入設(shè)備在市場(chǎng)上成功占有一席之位（如深度感應(yīng)攝像機(jī)），NUI驅(qū)動(dòng)的基于手勢(shì)平臺(tái)的建模工具迅速引起研究者的廣泛關(guān)注。人工手勢(shì)與3D模型計(jì)劃的自然結(jié)合下，設(shè)計(jì)師本人也成為創(chuàng)意和形狀設(shè)計(jì)過(guò)程的重要組成部分，而這一過(guò)程并不需要進(jìn)行專(zhuān)業(yè)的訓(xùn)練。最近，有研究學(xué)者提出了一些新的建模表示方法，例如，基于手勢(shì)進(jìn)行表征形態(tài)建模的數(shù)據(jù)模擬的體素表示方法；以上下文相互作用（SGCI）范式的基于手勢(shì)的3D形狀創(chuàng)建系統(tǒng)等。盡管取得了一些研究進(jìn)展，但是關(guān)鍵的挑戰(zhàn)仍在手勢(shì)的識(shí)別和解釋方面。6.3計(jì)算工具（3）有形的形狀創(chuàng)作用手和手持工具握住、操縱和修改現(xiàn)實(shí)世界的物體，是人類(lèi)從小就會(huì)執(zhí)行的自然任務(wù)。最新的文獻(xiàn)顯示，通過(guò)合并傳統(tǒng)的制作工藝方法，工程師和科學(xué)家們也使用有形的、有觸覺(jué)的設(shè)備來(lái)創(chuàng)建和修改3D模型，如使用可佩戴的手套裝置演示了有機(jī)形狀的建模；受雕刻工藝的啟發(fā)，一種有形的交互方法被使用，用手持工具來(lái)雕刻復(fù)雜的空間對(duì)象，并且還能用來(lái)解釋和編輯虛擬模型；使用掃描物理對(duì)象的橫截面來(lái)重建3D模型等。比起使用虛擬軟件來(lái)進(jìn)行模擬的建模，這種方式的建模會(huì)更加直觀，其建模過(guò)程也更加貼近實(shí)際設(shè)計(jì)品的生成規(guī)律。當(dāng)前的技術(shù)還難以實(shí)現(xiàn)這種方法實(shí)際上的應(yīng)用，但其未來(lái)可開(kāi)發(fā)的前景是相當(dāng)可觀的。6.3計(jì)算工具6.3.23D光學(xué)掃描擁有掃描能力的設(shè)備在進(jìn)行設(shè)計(jì)制作的時(shí)候可以重復(fù)使用以前的幾何形狀，這項(xiàng)能力可作為成品維修以及奠定個(gè)人定制化模型的底基。優(yōu)化掃描技術(shù)對(duì)于推動(dòng)3D打印技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。掃描與3D打印機(jī)的組合形式在過(guò)去幾年中經(jīng)歷了一場(chǎng)革命。在手持設(shè)備及桌面設(shè)備的輔助下，激光掃描技術(shù)已經(jīng)成熟，成本不斷降低。低成本的深度相機(jī)，如微軟的kinect也正在適應(yīng)市場(chǎng)，開(kāi)發(fā)特殊的應(yīng)用程序，將研究和商業(yè)領(lǐng)域的多個(gè)圖像轉(zhuǎn)換為3D模型。三維光學(xué)掃描技術(shù)在過(guò)去幾十年中一直在提升，它們往往用于在增材制造數(shù)字化過(guò)程中修改和再現(xiàn)物理對(duì)象領(lǐng)域的定量測(cè)量方面。目前已有的技術(shù)包括光度法、立體視覺(jué)、光場(chǎng)、陰影形狀、飛行時(shí)間、結(jié)構(gòu)光和數(shù)字邊緣投影等。這些技術(shù)可以大致分為兩類(lèi)：被動(dòng)方法（例如攝影測(cè)量、立體視覺(jué)、光場(chǎng)成像等）和主動(dòng)方法（飛行時(shí)間、結(jié)構(gòu)光等）。被動(dòng)攝影測(cè)量方法

被動(dòng)方法已廣泛應(yīng)用于遙感技術(shù)，用來(lái)確定場(chǎng)景的平面坐標(biāo)如：立體視覺(jué)技術(shù)用兩個(gè)攝像機(jī)從不同的視角捕獲兩個(gè)2D圖像，從而模擬與人類(lèi)視覺(jué)相同的過(guò)程。缺點(diǎn)是如果物體表面不具有明顯的自然紋理變化，則該技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)高精度成像。光場(chǎng)成像方法使用微透鏡陣列恢復(fù)3D信息，這種方式不用擔(dān)心立體視覺(jué)方法的對(duì)應(yīng)問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，被動(dòng)方法對(duì)于在要求不高的場(chǎng)合很有效。6.3計(jì)算工具6.3計(jì)算工具主動(dòng)攝影測(cè)量方法如：飛行時(shí)間需要進(jìn)行三維重建，適用于遠(yuǎn)距離測(cè)量。近距離測(cè)量主要是基于三角測(cè)量的主動(dòng)方法。由于結(jié)構(gòu)化圖案的性質(zhì)，這些方法可以實(shí)現(xiàn)不同的空間分辨率、速度以及精度。激光掃描系統(tǒng)為了代替使用離散點(diǎn)，通常使用結(jié)構(gòu)化線條來(lái)提高速度和分辨率。由于線在一個(gè)方向上是連續(xù)的，所以其空間分辨率可以提高到沿線方向的相機(jī)像素的分辨率。另一種流行的激光方法稱為邊緣投影，它是通過(guò)激光干涉或者數(shù)字計(jì)算機(jī)產(chǎn)生正弦變化的結(jié)構(gòu)圖案來(lái)進(jìn)行投影的。與所有上述方法不同的是，邊緣投影技術(shù)使用相位信息來(lái)建立表面紋理變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這可以實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。另外，由于邊緣投影技術(shù)只需要少量的3D重建圖案，因此它可以進(jìn)行物理對(duì)象的高速測(cè)量。6.3計(jì)算工具6.3.3

共同設(shè)計(jì)與共同創(chuàng)作平臺(tái)桌面級(jí)3D打印平臺(tái)的出現(xiàn)使得AM技術(shù)更廣泛地為人們所接觸，市場(chǎng)上入門(mén)級(jí)軟件的需求不斷增加。因此為了滿足更多消費(fèi)者的需求，需要打造一種共同創(chuàng)造的模式。共同創(chuàng)造是指公司和客戶共同創(chuàng)造價(jià)值，它能為客戶提供機(jī)會(huì)，依據(jù)客戶具體需求來(lái)影響工件的設(shè)計(jì)。在CAD和AM的背景下，聯(lián)合創(chuàng)作將采用一種支持Web的軟件工具的形式，允許用戶修改預(yù)先設(shè)計(jì)的部分的尺寸。本質(zhì)上，設(shè)計(jì)的技術(shù)方面在到達(dá)用戶手中之前已經(jīng)完成了，而用戶可以根據(jù)自己的需要使用“滑桿”來(lái)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)得到最終形狀。例如，來(lái)自拉夫堡大學(xué)設(shè)計(jì)研究學(xué)院的一個(gè)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了軟件（利用Rhino設(shè)計(jì)環(huán)境中的Grasshopper插件），創(chuàng)造了“PenCAD”，任何用戶都可以用這款軟件輕松地設(shè)計(jì)圓珠筆的幾何變體?；A(chǔ)設(shè)計(jì)創(chuàng)建后，任何人都可以使用滑塊來(lái)進(jìn)行自定義變體，更改尺寸，顏色和整體形狀等。再比如Uformia的“Uformit”軟件是一個(gè)在線3D模型庫(kù)，他可以幫助用戶對(duì)任何上傳的3D模型進(jìn)行修改。這些基于網(wǎng)絡(luò)或應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)工具的總體目標(biāo)是使非專(zhuān)家設(shè)計(jì)的產(chǎn)品來(lái)滿足用戶的個(gè)性化需求。這樣的工具將需要虛擬環(huán)境及用戶界面與參數(shù)化模型和智能設(shè)計(jì)工具進(jìn)行交互，建立相應(yīng)的機(jī)制，管理好各個(gè)模塊之間的交互連接才能使這樣的平臺(tái)有效運(yùn)轉(zhuǎn)。6.4制造工藝6.4.1開(kāi)源硬件和打印機(jī)3D打印機(jī)被廣泛認(rèn)為是將開(kāi)源流程擴(kuò)展到物理產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的啟用技術(shù)。3D打印機(jī)可以在任何人都可以使用和修改的開(kāi)放平臺(tái)上共享設(shè)計(jì)。同時(shí)，開(kāi)源3D打印機(jī)代表了開(kāi)源硬件開(kāi)發(fā)的一些最早的實(shí)踐。例如2004年，AdrianBowyer從巴斯大學(xué)推出了RepRap（復(fù)制快速成型機(jī)）項(xiàng)目。與傳統(tǒng)的分層設(shè)計(jì)流程相比，開(kāi)源流程基本上是獨(dú)一無(wú)二的，因?yàn)樗鼈兪怯裳莼^(guò)程驅(qū)動(dòng)的。根據(jù)開(kāi)源硬件協(xié)會(huì)（OSHWA）的規(guī)定，開(kāi)放硬件的定義特征是“設(shè)計(jì)公開(kāi)可用，以便任何人都可以基于該設(shè)計(jì)來(lái)研究、修改、分發(fā)、制造和銷(xiāo)售設(shè)計(jì)或硬件”。不同的開(kāi)源項(xiàng)目提供不同級(jí)別的信息。一些項(xiàng)目甚至提供了可復(fù)制最終設(shè)計(jì)文件，任何人可以通過(guò)直接復(fù)制來(lái)使用它；其他項(xiàng)目大多是記錄整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中的設(shè)計(jì)信息。例如對(duì)于RepRap項(xiàng)目，整個(gè)項(xiàng)目的演進(jìn)在網(wǎng)上有完整的記錄；詳細(xì)的設(shè)計(jì)文件（如CAD/CAM文件）可以在Thingiverse16和GitHub等平臺(tái)上找到。使用這些文件，可以分析產(chǎn)品的定型過(guò)程，以確定添加哪些部件，修改哪些部件，或刪除某些部件。6.4制造工藝另外，3D打印的早期創(chuàng)新來(lái)源于大學(xué)研究里同時(shí)發(fā)展工藝和機(jī)器的各種項(xiàng)目。其特點(diǎn)：硬件系統(tǒng)成本較低；機(jī)器設(shè)計(jì)和控制算法趨向于簡(jiǎn)單化，機(jī)器缺失提高精度的功能；精度的缺乏使更先進(jìn)的開(kāi)放式架構(gòu)打印機(jī)不利于工藝材料和設(shè)計(jì)工具的進(jìn)步。6.4.2AM過(guò)程模擬和優(yōu)化規(guī)劃和優(yōu)化過(guò)程的模擬功能對(duì)于AM系統(tǒng)至關(guān)重要。這一過(guò)程可以為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供物理參數(shù)，如液滴尺寸、形狀精度、固化程度和某些保真度的溫度。研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種AM工藝的仿真方法，例如液滴沖擊模擬用于基于噴墨的多噴射建模過(guò)程，光能調(diào)制模擬立體光刻過(guò)程運(yùn)用于數(shù)字顯微鏡器件，用于激光能量和材料溫度模擬的選擇性激光熔化過(guò)程。與傳統(tǒng)制造工藝相比，AM系統(tǒng)需要更多可控制的工藝參數(shù)、材料性能與工藝參數(shù)之間需要更為緊密的相互作用。這就為開(kāi)發(fā)AM建模仿真和高保真優(yōu)化方面制造了重大挑戰(zhàn)，特別是異質(zhì)材料沉積技術(shù)。由于FDM和SLS工藝中的構(gòu)建參數(shù)不同，制造出來(lái)的AM零件具有不同的材料特性。一個(gè)有效的途徑應(yīng)該是將AM工藝選擇與設(shè)計(jì)師早期設(shè)計(jì)階段的工藝規(guī)劃相結(jié)合，這一方面的研究已經(jīng)在展開(kāi)中了。同時(shí)，過(guò)程模擬