激光增材制造技術的研究進展

摘要：隨著增材制造技術的發展，增材制造技術已經廣泛地應用在社會的各個領域。研究幾種與納米技術相結合的增材制造方法的進展，主要集中在金屬基納米復合材料的激光增材制備方面。

關鍵詞：激光;增材制造;納米顆粒;力學性能;復合材料

中圖分類號：TG176文獻標識碼：A

激光增材制造對于直接制造滿足航空航天、國防、汽車和生物醫學工業領域要求的功能性金屬工具和部件具有重要意義[1]。用于納米復合材料制造的典型增材制造工藝包括三維打印、立體光刻、熔融沉積建模等。在這些增材制造工藝中，激光增材制造能夠直接從金屬粉末中制備出具有復雜三維幾何形狀的金屬構件。

1 三維打印（3DP）

三維打印是在粉末床表面撒上薄薄的粉末，聚合物黏合劑選擇性地噴射到要建造物體的粉末上，粉末層下面的活塞可以精確地降低該部分，以便下一個新層可以鋪在上一層的頂部。黏合劑再次按照預先設計的模式選擇性地噴射到粉末上逐層重復該過程，直到零件制造完成。

Bai等人在水基黏結劑中加入納米銀，在三維打印過程中，懸浮液中的納米粒子在較低的溫度下燒結在一起。納米粒子可以在燒結過程中連續提供黏結強度，與不使用納米銀懸浮液的純部件相比，最終打印的銀部件的拉伸強度更高。納米銀懸浮部件與純黏合劑三維打印部件相比收縮性小、變形小、延展性高。Czyzewski等人通過三維打印技術制造的包含碳納米纖維（CNF）的導電組件，將CNF添加到環氧樹脂黏合劑中，以便獲得成型件，三維打印處理后，其模量比普通碳纖維高很多，具有了更強的導電和導熱能力[2]。

2 立體光刻（SLA）

立體光刻是使用紫外線激光來選擇性固化液態可光固化聚合物。在SLA的過程中，通過掃描激光束選擇性地固化安裝在平臺上的建筑部件的第一層。可以從CAD模型中跟蹤每層的圖案，在打印過程中將其轉換為STL文件。一旦零件的第一層固化，平臺就可以精確地降低一定量的零件，從而可以將下一個未固化的光固化聚合物層施加到上一層的頂部，以進行下一個掃描周期。逐層重復此過程，直到完成零件。

Wozniak等人開發了用于立體光刻工藝的UV固化透明SiO2納米分散體。選擇五種類型的單體（即4HBA、HEA、丙烯酸丁酯、M200和M282PEGDA），其折射率接近SiO2，以最大限度地減小范德華吸引力。制備了在不同單體中包含10%（體積）至40%（體積）的SiO2納米粉（40—80nm）的納米分散體，所獲得的納米分散體的黏度適合于立體光刻[3]。

3 熔融沉積建模（FDM）

熔融沉積建模是通過連續的細絲來沉積零件。沉積的材料包括聚碳酸酯（PC）、丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）、聚苯砜（PPSF）、PCABS共混物和PCISO107。

Shofner等人通過FDM制備納米纖維增強的聚合物納米復合材料。使用熱壓機將平均直徑為100nm，長度為100μm的氣相生長碳纖維（VGCF）與丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）共聚物混合，并進一步造粒，以制成長絲擠出原料。絲的公稱直徑為1.7mm。VGCFs均勻分散在基體內，與純ABS沉積零件相比，復合材料的機械性能（例如拉伸試驗、動態模量）平均提高了39%和60%。

4 選擇性激光燒結（SLS）

激光束用于選擇性地將熱熔性粉末熔合成固體物體。激光可以從一個CAD模型中跟蹤圖案，并熔合圖案的第一層。平臺進一步精確地降低一定高度，以便可以重新應用以下第二粉末層。對后續層重復該過程直到零件完全制作完成。各種各樣的粉狀材料可用于包括塑料、金屬、金屬合金、高分子金屬材料和金屬組合的工藝還有陶瓷。

Kim等人研究了黏土納米顆粒對材料熱物理性能的影響，SLS加工用聚合物納米復合粉體的力學性能。納米復合材料的聚合物基體為純聚酰胺6（N6），增強后的納米顆粒為質量分數為5%的黏土納米顆粒。加入黏土納米顆粒后，由于增加了黏土聚合物鏈，燒結熔融和熱結晶值增加互動。納米復合材料的熔體流動特性表現出比純N6更高的MFI值，說明納米復合材料在引入納米顆粒后表現出更高的黏度。

5 選擇性激光熔化（SLM）

SLM是利用移動的高能激光加熱源逐層制造零件的附加制造工藝之一。安裝在平臺上的薄金屬粉末層被選擇性地熔化，并且隨后的粉末層被放置在第一層的頂部，然后再次被激光熔化，重復該過程直到對象完成。

Gu等人實驗研究了原位生成的TiC納米粒子增強TiAl基納米復合材料的制備及微觀結構表征。采用高能球磨法制備了超細粉體的納米復合粉體。對厚度為0.15mm的納米復合粉體進行了深加工，激光處理后形成TiAl3和Ti3AlC2。Li等人利用SLM制備了AlSi10Mg增強TiB2納米粒子。納米復合材料展現了良好的機械性能。

6 展望

激光增材制造技術的主要優點是能夠創建傳統制造工藝無法形成的復雜幾何圖形，從工業的角度來看，單個部件通常在不同的工廠用特殊的工具制造，然后運到裝配現場。有了激光增材制造技術，零件就不需要專門的工具，可以在現場生產零件，消除了對供應鏈的需求，同時減少了每個部件的部件數量和裝配需求。

參考文獻：

[1]白亮，陳東，馬乃恒，等.原位生成TiB2/6351復合材料的組織和性能[J].熱加工工藝，2007，36（12）：3033.

[2]李素麗.不同金屬3D打印增材制造技術對比分析[J].中國鑄造裝備與技術，2016（06）：68.

[3]晁艷普，齊樂華，羅俊，等.金屬熔滴沉積制造中STL模型切片輪廓數據的獲取與試驗驗證[J].中國機械工程，2009，22：27012705.

作者簡介：劉曉飛（1979—），女，吉林延邊人，碩士，工程師，研究方向：激光增材制造技術。