增材制造技術的發展對負泊松比材料的促進＊

王強 梁鴻宇 蒲永鋒 趙穎 馬芳武

（1.吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022；2.西南大學 工程技術學院，重慶 400715）

主題詞：增材制造技術 負泊松比材料 多材料 功能梯度

1 前言

在“中國制造2025”的大背景下，增材制造技術由于具有生產周期短、材料利用率高、可以成形復雜結構零部件等特點，而成為制造領域研究的一個熱點，在航空航天、醫療、軍事、汽車等領域得到了廣泛的應用，“3D打印+”的概念逐漸被更多領域認可。

另一方面，負泊松比材料由于特殊的拉脹效應，相對于傳統正泊松比實體結構，質量輕且具有更多優異的性能，如緩沖吸能、隔音降噪、高效傳熱等，受到了眾多領域和研究學者的青睞。但受限于制造工藝，工程師的設計空間大大縮小，一些復雜的結構形式無法加工，而簡單的結構形式也不足以滿足實際構件的使用需求。因此，增材制造技術與負泊松比材料的深度融合，將推動負泊松比材料在更多領域的應用發展。

本文將對增材制造技術的技術、材料、應用的發展現狀以及負泊松比材料的性能機理及最新研究進行介紹，并闡述增材制造技術是如何對負泊松比材料進行促進和影響的。

2 增材制造技術的發展現狀

3D打印技術（3D Printing Technology），又名增材制造技術（Additive Manufacturing Technology，AM），屬于快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印、疊加成型的方式來構造物體的技術[1]。20世紀80年代末，由Charles Hull從立體光固化成形過程中開發出來，廣泛應用于原型驗證階段。相對于傳統加工工藝，3D打印技術可以有效地提高部件質量和降低制造成本，它加工周期短；材料利用率高、加工成本低；適用于高熔點、高強度等難加工材料的加工。經歷了二十多年的發展，增材制造技術相繼衍生出以光固化成形技術（Stereo Lithography Apparatus，SLA）、熔融沉積成形技術(Fused Deposition Modeling，FDM)、選擇性激光燒結技術（Selected Laser Sintering，SLS）、疊層實體制造技術（Laminated Object Manufacturing，LOM）為代表的成熟3D打印技術，如圖1所示。

圖1 四種成熟的3D打印技術[2-5]

作為新一輪科技革命和產業變革的重要驅動力量，3D打印技術不論在成形精度上還是在材料的使用范圍上，都日趨成熟。在原有技術的基礎上，新的3D打印成熟工藝不斷涌現，例如3DAPD霧化顆粒沉積技術、納米顆粒噴射（Nano Particle Jetting，NPJ）、EBM電子束熔煉等。根據打印材料的不同，在表1中進行部分關鍵技術的簡單分類。

表1 不同快速成型工藝

從表1中可以看到3D打印已實現在工程塑料類、金屬類、橡膠類、光敏樹脂以及陶瓷等常用材料上的成熟應用。隨著3D打印技術與各行業的深度融合，一些新的打印材料也逐漸得到開發，例如記憶合金材料、導電材料、碳納米管材料。此外，2019年中建股份技術中心還自制了水泥配方，實現了世界首例原位3D打印雙層示范建筑。

在應用領域方面，3D打印技術在全球的應用主要在以下行業。

（1）航空航天行業:航空發動機的零部件復雜、成本高并且其材料很難加工，但是3D打印技術可以實現復雜零部件的一體化制造，大大提高了材料的利用率，同時制造出的零件質量更輕，不僅有利于減少飛行器燃料消耗，還可以獲得更好的加速度等性能。所以使用3D打印技術制造零件模型，比傳統的模具制造更具有靈活性和經濟性。如圖2為GE公司利用3D打印技術打印的LEAP燃油噴嘴。

圖2 GE公司打印的LEAP燃油噴嘴[6]

（2）機械制造行業，包括汽車行業等:3D打印技術可以應用到整個汽車生命周期中，包括原型設計、零部件設計、汽車維修等。圖3為布加迪汽車公司3D打印的鈦合金制動鉗。

圖3 布加迪汽車公司3D打印的鈦合金制動鉗[7]

（3）醫療行業:每個人的身體構造都不同，當要進行器官移植或者修復手術的時候，必須進行完全個性化的定制。3D打印技術可為需要器官移植的患者“量身打造”所需器官，無需擔心排異反應。我國第三軍醫大學楊柳教授于2017年11月21日完成全球首例個性化3D打印多孔鉭金屬墊塊植入物全膝關節翻修手術，解決了臨床骨缺損修復問題。圖4為3D打印多孔鉭假體和患者術后X線片。

圖4 3D打印多孔鉭假體和患者術后X線片[8]

（4）軍事行業：737無人機模型PETRA的主要組件，包括副翼、操縱面均利用了3D打印技術。安妮斯頓陸軍基地利用3D打印技術對艾布拉姆斯坦克的燃氣渦輪進行了修復，修復效果明顯。圖5為CRP技術公司和Hexadrone公司推出的3D打印的完全模塊化無人機，由于其具有堅固、防水的特性因而可以在極端天氣下使用。

圖5 2018年CES上展出的3D打印無人機[9]

綜上，從3D打印的技術、材料、應用3個方面進行了發展現狀分析，可以清晰地看到，受到各行業需求的推動，3D打印技術形式的發展千變萬化，用于打印的材料種類也與日俱增，“3D打印+”的理念逐漸被更多的行業認可，不斷促進3D打印快速成形技術與傳統制造業的深入融合[10-13]。與此同時，也為下一節主要介紹的結構復雜但性能優異的負泊松比材料提供了制造基礎以及更多的可能性。

3 負泊松比材料的研究現狀

泊松比是表征材料在垂直于作用力的截面的橫向變形特性的一個無量綱物理量，被法國科學家Simeon Denis Poisson提出并定義為彈性加載方向上，材料的橫向應變和縱向應變的比值的負數[14]，即ν=εx/εy（式中ν、εx、εy分別表示泊松比、橫向應變和縱向應變）。當承受軸向拉（壓）時，傳統材料會在垂直于載荷方向上產生收縮（膨脹）的行為，此時其泊松比為正值（Positive Poisson’s Ratio，PPR），這種現象也剛好符合人類的直覺，現實生活中大多數實體材料都是如此，也包括一些多胞材料，如正六邊形蜂窩材料、圓形蜂窩材料等。而少數材料則會表現出相反的特性，產生膨脹（收縮）的行為，這時其泊松比為負值（Negative Poisson’s Ratio，NPR），這些材料被稱為負泊松比材料或者拉脹材料，如雙箭頭結構、內凹六邊形結構等。此外，還有一些材料既不產生膨脹現象，也不產生收縮現象，此時其泊松比為零（Zero Poisson’s Ratio，ZPR），比如空氣，圖6為二維泊松比機理。

圖6 二維泊松比機理[15]

1927年Love[16]在對黃鐵礦晶體進行研究時，首次發現其具有負泊松比特性，在后面的研究中人們逐步發現了貓的皮膚、胚胎干細胞等更多的天然負泊松比材料。1987年Lakes[17]首次進行了人造負泊松比材料的嘗試，在此基礎上，國內外學者進行了大量深入的研究，探究了負泊松比拉脹效應的產生機制，并且創新性地提出了具有不同物理特性的負泊松比結構。相比于傳統的正泊松比材料，負泊松比材料具有如下優勢[18]。

（1）當材料的泊松比接近-1時，材料的壓縮性能極好且受剪切變形影響不大；

（2）壓痕阻力、抗沖擊性能在特定的強度下優于傳統的蜂窩結構材料；

（3）具有更好的抗斷裂性能，且裂紋不容易延伸發展；

（4）具有曲面同向性，在受到平面外彎矩時橫向曲率與主曲率方向相同；

（5）滲透率可變，隨著受力的增加，滲透率發生變化；

（6）具有良好的吸能隔振作用，可有效降低沖擊力。

由于上述諸多優勢，負泊松比材料具有廣闊的應用前景，被大量地應用于醫療、緩沖和保護裝備[19]、智能傳感器和過濾器[20]、航空航海等領域。例如在醫療領域的人工假體[21]，緩沖保護領域的負泊松比安全帶，由于滲透率可變的性能制造的智能過濾器，國防領域的負泊松比防彈衣等。

近二十年來，人們在人造負泊松比結構方面的研究又取得了很大進展，尤其是在汽車吸能盒、防撞梁和汽車NVH方面進行了大量的研究（圖7）。王陶[22]研究了負泊松比結構的力學特性及其在商用車耐撞性優化設計中的應用，最后提出了一種負泊松比吸能盒，這種吸能盒相比于傳統的吸能盒，在不同的速度工況下具有更優異的碰撞吸能特性。韓云龍[23]等基于傳統的正方形蜂窩結構，引入更小的雙向內凹結構，使得動態承載能力和能量吸收能力明顯增強。鄧小林[24]等研究了一種全參數化正弦蜂窩結構，結果表明，正弦曲線蜂窩結構的輕微拉脹效應可增強其平面內的能量吸收能力，相較普通的常規正六邊形蜂窩結構，具有更好的能量吸收效果；Li[25]等將正弦結構引入傳統的負泊松比內凹六邊形蜂窩結構，使能量吸收能力得到增強。Hou[26]等人證實在相同的沖擊位移下，內凹六邊形結構在能量吸收方面相比于正六邊形蜂窩結構有很大的優勢。Ingrole[27]等人進一步修改了內凹六邊形的中間連接部分，得到一種增強型內凹六邊形結構，結果表明，與六角形蜂窩結構相比，這種新型的內凹六邊形結構具有更好的力學性能。Zhang[28]等提出了一種新型的蝴蝶狀多胞蜂窩結構，并證實了在相同的相對密度下，與圓形蜂窩結構相比，這種新型蜂窩結構能吸收更多的能量。Wang[29]等將內凹六邊形蜂窩結構與星形蜂窩結構相結合，提出了一種新型的蜂窩結構，并研究了其面內沖擊響應。結果表明，在相同的胞壁厚度下，與其它2種結構相比，這種新結構具有良好的抗撞性能。Wang[30]等將雙箭頭結構與星形結構結合，提出一種具有雙平臺特性的新結構，結果表明相對于雙箭頭結構與星形結構，其具有更大的吸能潛力。

圖7 人造負泊松比結構（依次為[23-25]、[27-29]）

從人造負泊松比材料出現至今，對負泊松比材料的研究大多集中在理論分析、有限元模擬和試驗驗證。雖然也取得了較大的進展，但是一些性能優異的負泊松比材料，由于結構復雜難以加工，并且很多結構簡單的負泊松比材料的強度難以達到要求，設計空間有限。所以盡管一些負泊松比材料在各個領域都有很好的應用前景，但是受限于制造工藝與制造精度，還不能很好地應用于更多領域。

4 增材制造技術對負泊松比材料的促進

隨著增材制造技術的發展，尤其是制造方式的不斷革新和制造精度的日益提高，促進了對負泊松比材料的研究和應用。近年來，增材制造技術的發展對負泊松比材料產生了一定的促進作用，主要體現在4個方面。

（1）增材制造技術由于在樣件的加工過程中不涉及刀具、模具、夾具和具體的加工工序，所以生產周期極短，這加快了學者們對負泊松比材料的研究。Li[31]等人利用電子束熔化技術成形了Ti6Al4V三維內凹拉脹晶格結構參數優化設計后的樣件（圖8），并進行了壓縮試驗，提出了該結構的失效模式，最后通過試驗和理論模型，得出了該結構較傳統的泡沫結構有更好的力學性能的結論。

圖8 EBM技術制造樣件[31]

（2）激光增材制造技術因為成形精度高、成形件性能好而被認為是目前金屬增材制造領域最成熟可靠的技術，也被大量地應用于負泊松比結構的成形制造，以解決傳統工藝制造的負泊松比材料強度和硬度不足的問題。Li[32]等人利用選區激光熔化技術制造了TiNi基富鈦合金的負泊松比結構（圖9），并進行了結構優化，同時該樣件是基于金屬材料的成形件，在一定程度上解決了傳統材料負泊松比結構由于孔隙率大而導致的強度不足的問題。

圖9 AM技術制造樣件[32]

（3）激光增材制造技術中的金屬直接沉淀技術由于同軸送粉的特點，可以實現雙材料甚至多材料的零部件成形，通過控制材料成分的比例和分布，可以獲得性能更加優良的復合材料和結構。Wang[33]等人利用增材制造技術對雙材料的負泊松比結構進行了研究（圖10）。單一材料在結構設計時需要在泊松比、最大體積/面積的縮減和等效楊氏模量之間做權衡，很難實現最優化設計。但是雙材料設計可以混合2種材料去創造任意力學性能的數字材料，解決了單一材料設計的困境，同時也證明了雙材料結構在大的應力水平下依舊有穩定的負泊松比。

圖10 3D打印雙材料樣件[33]

（4）增材制造技術在負泊松比結構制造領域的應用，除了上述3個方面，還可以通過改變材料在不同區域的密度或者結構進行負泊松比結構的梯度設計。Liu[34]等人通過增材制造技術，結合CVT算法的控制功能，對胞元的內部孔徑和胞壁分布進行控制，優化了材料的分布，最后制造出了二級隨機蜂窩結構（圖11），并通過試驗驗證了該方法的可行性和優越性。

圖11 3D打印隨機梯度樣件[34]

隨著增材制造技術由“3D”打印邁入“4D”打印時代，更多新型高效高精度的微加工技術將被引入到負泊松比材料的加工制造當中，助力負泊松比材料的研究與發展。同時，智能材料與負泊松比材料的一體化設計也將成為可能，在加工過程中將智能材料植入負泊松比結構，使其具備可以感知外界溫度、壓力等的能力，并及時做出響應。所以增材制造技術與負泊松比材料的融合技術，將會是一個全新的前沿學科領域，并且在未來會對各個行業產生較大的影響。

5 結論與啟示

本文從增材制造技術與負泊松比材料的發展現狀，分別對增材制造技術和負泊松比材料從技術、原理、發展歷史和研究現狀進行了介紹，最后總結了增材制造技術對負泊松比材料在4個方面的影響。

雖然增材制造技術相較于傳統的加工技術有較多優勢，但是由于發展時間尚短，還有很大的研究潛力。增材制造技術在微觀結構的加工制造方面還需要進行深入的研究；在零部件的成形精度、尺寸、表面質量方面大多還不滿足使用要求，需要進行二次處理等。同時，負泊松比材料由于具有良好的拉脹效應、質量輕、吸隔聲性能好和吸能效率高等特點，國內外學者對其進行了大量研究，但是多限于二維和三維的模型和理論的研究，距離完全投入生產還有很大差距。增材制造技術由于其獨特的加工特點，在很大程度上對負泊松比材料的發展起到了推動作用。隨著增材制造技術的進一步發展，對負泊松比材料的研究，也將達到一個新的高度。