仿生金属结构的激光增材制造
时间：2022-07-13 09:33 来源：长三角G60激光联盟 作者：admin 阅读：次
高性能/多功能金属部件主要决定了航空航天、航空和汽车行业中应用的设备的使用性能。经过数百万年的自然进化，生物体已开发出具有特定特性的结构，从而为设计高性能结构以满足现代工业日益增长的需求提供了灵感。从制造角度来看，传统加工技术的能力不足以制造这些复杂的结构配置。相比之下，激光增材制造（AM）由于其逐层沉积的优势，是制造复杂金属仿生结构的有效方法。本文简要回顾了仿生细胞、平板和桁架结构的激光AM的最新发展，以及用于仿生打印的激光AM材料。讨论了激光AM加工仿生结构的力学性能和功能。此外，还概述了未来利用激光AM技术制造高性能/多功能金属仿生结构的挑战、可能的结果和方向。
1、介绍
经过数百万年的自然进化，自然界的生物已经开发出高性能材料和结构，以适应外部环境并管理捕食者。仿生技术可以通过学习自然优秀的结构和材料来解决科学技术问题。仿生结构的人工制造应遵循以下原则：（1）以需求为导向，以满足工程应用的性能要求，即识别自然界具有特定性能的生物体；（2）基于从宏观到微观的表征方法的生物结构分析，这样可以理解生物结构的设计原则、材料的物理和化学机制及其与性能/功能的关系；（3）结构建模或材料设计，即从生物结构分析或符合生物材料特性的人工材料中建立宏观/微观结构模型。
增材制造（AM），也称为三维打印，已被证明可有效制造具有复杂配置的组件。现代工业迫切需要高性能金属部件。新型结构的仿生设计和激光AM技术的使用促进了高性能金属部件的制造。仿生结构的激光AM是结构设计、材料选择、性能表征和功能实现的集成，如图1所示。对于仿生结构的激光AM过程中的材料选择，可用材料的范围相对较小，主要是因为激光技术和成型质量的限制。激光AM仿生结构的性能表征主要集中在其机械性能上，包括其承载能力、能量吸收和抗冲击性。这些性质与相应的生物结构性质一致。功能实现类似于特性表征，主要包括形状变化、保护和热控制。
图1 仿生结构的激光增材制造集成了结构设计、材料选择、性能表征和功能实现。
在此，回顾了最近关于仿生结构的激光AM的研究，以说明这种方法在创建高性能金属仿生组件方面的潜在价值。从设计、材料、性能和功能四个方面阐述了仿生结构的激光AM过程。此外，还讨论了激光AM技术在创建仿生结构方面的局限性。强调AM技术促进了仿生结构的发展，而仿生结构的复杂性给AM技术带来了新的挑战。
2、激光AM仿生结构设计
2.1. 细胞结构（CSs）
CSs是一种很有前途的用于高孔隙率结构的轻量且坚固的组件。目前，CSs的两个主要代表类别是规则细胞结构（RCS）和不规则细胞结构（ICS）。RCS通常表现出节点和支柱的周期性排列，被广泛称为晶格结构。生物CSs是典型的ICSs，具有独特的优势。
人工植入物的设计应尽可能类似于骨结构（图2（a）-（c）），以避免“应力屏蔽”效应，该效应主要由人工植入物和骨之间的弹性模量差异引起。由于“应力屏蔽”，应力无法在种植体和骨之间有效传递。骨细胞没有受到足够的应力刺激，会死亡并被吸收，从而导致人工植入物松动或断裂。来自胼胝体属、蓝藻属和卵泡膜的灰蝶翅膀鳞片的微观结构表现出陀螺状纳米结构特征（图2（d）-（f））。
图2 不同类型的仿生细胞结构：（a–c）受骨启发的Voronoi支架；（d–f）受蝴蝶（Lycaenid）翅膀微观结构启发的回转体结构；（g–i）灵感来源于枫香果序的轻质抗压细胞结构；（j–l）梯度管状结构灵感来自挪威云杉的横截面结构。
如图2（g）所示，枫香果实（通常称为台湾胶）由木质化骨架组成（图2（h）-（i）），这使果实能够表现出最大的能量吸收效率、充足的生长空间和优异的机械性能。然而，这种类型的CS不能通过重复排列形成大规模的细胞结构，只能以单元的形式用于工程应用。挪威云杉（图2（j））可以在北极生存，并表现出优异的耐寒性能，这主要归因于其茎的中空和梯度微观结构（图2（k））。挪威云杉启发的梯度CS（图2（l））具有承重和隔热性能。应用LPBF制备梯度碳纳米管，并测量其导热系数。结果表明，从结构顶部到中心具有较大梯度的梯度CS表现出最佳的隔热性能。
2.2. 平板结构
生物体的外部保护结构通常表现为板状结构，几个单独的板状结构重叠形成盔甲，提供保护和灵活性。激光AM处理的仿生板结构具有曲面的特点，可能用于汽车、防护装甲和航空航天领域。
观察到螳螂虾telson截面的关键正弦几何形状（图3（a））。我们设计了双向波纹板（DCP）结构，灵感来自螳螂虾。进行压缩模拟以优化DCP结构的结构参数（波长λ和振幅A）。通过LPBF制造DCP结构，以验证模拟结果（图3（b））。结果表明，λ对力学性能的影响大于振幅A。研究了DCP结构的三种典型变形模式（即全折叠、过渡和整体屈曲模式）。此外，基于仿生DCP结构，通过LPBF设计并制造了一种新型叠加正弦波（SSW）结构。研究了能量吸收特性、变形模式和断裂机制，结果表明，与大多数报道的能量吸收结构相比，SSW构件具有更高的压碎力效率（CFE），达到73.06%。使用Ti6Al4V通过LPBF产生仿生夹层结构（图3（d））。
图3 具有平板特征的仿生结构：（a）螳螂虾telson横截面的波纹特征；（b） LPBF制造的双向波纹面板组件灵感来自螳螂虾的telson；（c）鞘翅的宏观结构和微观结构；（d） LPBF处理的elytra启发结构组件；（e，f）海贼骨启发的多层S形墙结构。
与CSs的LPBF过程相比，在板结构的LPBF过程中，必须优化建造方向，并在预处理软件中合理添加支撑结构。这是因为板结构由许多悬垂面组成。此外，由于激光AM过程中存在较大的热梯度和较高的冷却速率，在制造薄壁板结构时，可能会发生热应力、残余应力和变形。最佳激光参数，如功率、扫描速度和扫描策略，可以有效降低残余应力和变形。此外，可以进行热处理等后处理来缓解残余应力。
2.3. 桁架结构
桁架结构是一种长桁架交错连接的结构。桁架结构因其稳定性高、重量轻、强度高等优点，在卫星、飞机、建筑等工程领域有着广泛的应用。近年来，随着AM技术的发展，提出并制造了具有更复杂配置的桁架结构。
甲虫的前翅（图4（a））不仅可以保护其身体，还可以提高其飞行能力。图4（b）显示了甲虫前翼的圆柱管微观结构。双曲面的仿生形状可以从甲虫前翼的微观结构中追溯（图4（c））。在用旋转桁架替换双曲面后，获得了仿生双曲面桁架结构，并使用LPBF制造（图4（d）、（e））。在压缩试验期间，应力集中从水平支柱的交点转移到对角支柱的交点，从而导致仿生双曲面桁架结构的高能量吸收能力（3.45 J）。另一种典型的桁架结构是受水蜘蛛潜水钟启发的网壳（图4（f）-（i））[74]。曲霉Eupletella aspergillum的骨骼系统也被称为维纳斯花篮，表现出显著的机械鲁棒性（图4（j））。从曲霉菌的骨骼系统设计了方形晶格结构（图4（k）），并对其力学性能进行了实验和数值研究（图4（l））。与传统排列的晶格结构相比，基于生物结构排列的桁架晶格结构显著提高了力学性能。在本研究中，证明了在不添加材料的情况下，可以显著提高结构的抗屈曲性能。
图4 具有桁架特征的仿生结构：（a–e）LPBF制造的格子结构，灵感来自甲虫前翼的圆柱管；（f–i）LPBF制造的网壳结构灵感来自蜘蛛丝的交联结构；（j–l）三维打印晶格，灵感来自海绵的对角增强策略。
3、仿生结构激光AM的材料和工艺
国际标准化组织和美国材料与试验协会列出了两种主要的金属材料激光AM类型。一种是基于粉末扩散的LPBF（图5（a）），另一种是基于粉末喷涂的激光定向能量沉积（LDED）（图5（b））。在这两种工艺中，激光被用作能量源来熔化金属粉末并逐层制造部件。结构的数字模型可以使用AM技术直接转换为物理产品。与传统制造方法不同，AM是处理仿生复杂结构的有效方法。目前的研究重点是LPBF，用于制造仿生结构。
图5 两种主要的激光AM工艺和材料类型：（a）LPBF工艺的示意图；（b） LDED工艺示意图；（c）多孔脊柱植入装置；（d） LPBF处理的单一Ti6Al4V材料的典型针状微观结构；（e）透射电子显微镜显示贻贝的贝须和贝须角质层的颗粒微观结构；（f） WC/Inconel 718复合材料的扫描电镜微观结构；（g） Crysomallon squamiferum贝壳的宏观照片，以及贝壳横截面的光学微观结构，显示多层结构；（h）多层Ti6Al4V/TiB2材料的灵感来源于鳞片铁。
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