增材制造适用材料及产品机械性能研究

刘 森

（江苏安全技术职业学院，江苏 徐州221100）

增材制造是起源于上个世纪90年代的一项新型技术，增材制造技术一经提出就受到各个领域的广泛关注，目前市面上已经可以见到由增材制造而生产的多种产品，如大家经常需要用到的一些光敏类材料、超薄材料等都属于增材制造技术的优秀成果。增材制造推动了传统的制作工艺逐步升级，呈现出极大的应用优势，但是我们对增材制造技术的研究时间还比较短，虽然取得了一些卓越成果，但是在实践应用的过程中增材制造的创新也遇到了一些瓶颈。例如增材制造过程中使用的一些材料获取难度非常大，一些成品的延展性增强，但是塑形有所降低，还有一些材料极易产生形变，这些都影响了产品使用范围的进一步拓展。所以在实践应用的过程中，我们还需要继续对增材制造技术进行研究，并探索如何更好地推进增材制造技术不断优化升级。

1 增材制造技术的原理分析

增材制造技术是由美国材料和实验协会提出并加以定义，将其描述为：基于计算机辅助设计的数据模型，通过分层叠加材料的方式，来完成产品制造的相关技术。增材制造技术可以将概念设计与产品模型有机结合在一起，通过有效的加工过程来设计产品，从而使制作出的产品具有多种优势，增材制造的过程可以简单用图1表示。

图1 增材制造过程

随着增材制造适用材料的不断拓宽，人们对增材制造工艺的研究也在逐步深入，其中有很多技术手段已经发展的非常成熟，使得增材制造的应用范围被极大地拓宽。目前国内外常见的增材制造加工技术包括以下几种：金属激光烧结（DMLS）技术、电子束熔融（EBM）技术、激光选区熔化（SLM）技术、选择性激光烧结（SLS）技术、激光立体成型（LSF）技术、电子束自由制造（EBF3）技术、熔融沉积成型（FDM）技术、光固化立体成型（SLA）技术、分层实体制造（LOM）技术等。

这几类技术的成型原理各不相同，所用的材料也有一定的区别，使得制作而成的产品在工艺特点方面也呈现出一定的差异性。以金属激光烧结技术为例，它的常用材料是不锈钢、钴铬合金及钛合金等，这些材料都属于金属类材料。在加工的过程中，一般以激光束将金属体局部融化，再把烧结金属粉末逐层叠加，最后可以形成一些材质紧密的实体零件。用这类技术加工而成的零件，它的机械性能要比锻造件更强，而且加工过程中可使用的原材料非常广泛，剩余的耗材也极易被清理和收集，所以这类技术当前应用的范围很广。但是这一技术也有缺点，就是成型机的密度稍有欠缺，表面质量也稍差一些，需要进一步进行后期的加工和处理。

电子束熔融技术也是金属加工的一类常用技术，即用电子光束在真空环境下扫描机器内置真空环境下的粉末，将粉末融化后再用逐层熔化的技术进行型材的叠加。这样就可以在高温条件下形成多孔、致密或多孔-致密符合部件。这类技术目前应用非常广泛，它加工而成的零部件无需后处理，而且材料利用率非常高，结构本身的机械强度很大，质量也比较轻。

选择性激光烧结技术主要适用材质为一些热塑性塑料、金属粉末或者是陶瓷粉末，这类材料的可融合性更强，加工过程中一般采用激光逐层烧结的形式，将粉末加工形成聚合物，聚合物可以和金属颗粒粘结在一起，在冷却以后形成一些成型的结构。这项技术的集成度非常高，而且生产的周期短，应用范围也非常广。不过这类技术加工而成的产品极易变形，后处理实施比较困难。在一些产品精度要求高的材料处理过程中，需要有效把握各项因素的控制。

另外，光固化立体成型技术主要是以光硬化树脂为材料，采用紫外光逐层扫描的方法，形成一些液态光敏聚合物，再将其固化物堆积直至成型。这类技术的产品成型度非常高，成型尺寸也比较大，表面质量非常好，而且加工的速度非常快。缺点是产品的强度和韧性方面比较差，不适合高强度加工件使用。

2 增材制造技术的材料分类

增材制造技术目前的应用范围被极大地拓宽，加工而成的产品也多种多样，但是不同增材制造技术使用材料略有差别，所加工而成的成型产品的机械性能也有一定的差异性。根据适用材料的不同，我们一般将其划分为非金属材料和金属材料两个大类。

2.1 非金属材料类

当前人们对非金属材料的研究和使用技术相对比较成熟，生活中常见的非金属材料以高分子聚合物为主，如塑料。它本身有着热塑性，流动性也好，而且凝结较快，固化能力非常强，是生活中常用的一类材料。在增材制造中，这类材料的发展和应用也非常迅速。高分子材料还可以与陶瓷、玻璃、金属粉末纤维等复合而成。一些新的材料不仅使得增材制造技术的使用范围得到极大地拓宽，而且新合成的材料在性能上更加优越。如水凝胶，它的力学性质与人体的软组织类似，因此在医学领域有很强的应用空间。另外，聚乳酸、聚酰胺、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料材料等也是常见的有机高分子材料。这类材料主要适合于用熔融沉积成型技术、光固化立体成型技术、分层实体制造技术、选择性激光烧结技术等来进行加工，进而生产出更多的新型复合材料及智能生物材料。

目前人们对于非金属材料增材制造产品的制作工艺掌握比较成熟，对于产品的各类机械性能也进行了数据采样。例如，人们研究发现，借助熔融沉积成型技术加工制备的聚丙烯材料，拉伸强度显著高于同种塑料注塑件。而一些光敏树脂材料经过固化立体成型处理后，其拉伸强度可超过41MPa，经过增材制造技术处理之后，获得的机械性能远优于原材料，其柔韧性也非常好，因此增材制造技术为新材料的研发拓宽了路径，很好地提升了产品的综合性能，可以结合目标应用进行多领域新型材料的研发，并能够将各种材料的优势有效结合，进而制造出一些性能更优的传统素材替代品。

2.2 金属材料

人们对增材制造技术的研究起初就是从金属材料入手的。近年来，人们对于金属材料的研究更加广泛而深入。当前增材制造技术所用的材料主要集中于钛合金、镍合金钢、低熔点金属等。与传统的制造零件相比，以增材制造技术来进行零部件加工，其机械性能表现出了一些显著变化。其中很多材料经过增材制造加工之后所得的成型零件在机械性能上接近或高于传统设备。比如18Ni300模具钢围里借助激光选区熔化技术处理之后所成的材料，在抗拉伸度、屈服强度和硬度方面都大幅增加，不过材质本身的塑性有所降低。而CoCrMo材料经激光选区熔化技术处理后，拉伸强度、屈服强度及洛氏硬度都高于铸件标准。为了更好地改善型材的机械性能，目前人们已经探索借助激光立体成型技术与传统的铸造技术相结合，来更好地提升一些普通铸件的性能。另外，金属材料在增材制造技术应用过程中极易出现孔隙，使得材料的延伸率会有所降低，这也是后续需要突破的一项重点难点。

3 增材制造类产品机械性能出现变化的原因分析

增材制造技术作为一项新型的产品加工工艺与传统制造技术和制造工艺相比有多方面的优势，但是由增材制造技术加工而成的很多产品机械性能也产生了一些变化。如材质的机械稳定性降低、延展性变差、韧性降低等。增材制造技术设计的工艺步骤相对比较繁琐，其中有很多需要进行反复的高温冷却操作，这就使得在材料加工过程中，材料的填充率、球化现象、冷却速率、激光功率、成型速度、孔隙夹杂等会影响增材制造技术产品的性能。尤其是在增材制造产品过程中存在填充率变化的问题，使得一些材料易出现球化现象，导致烧结层缝隙的出现，进而使得材料的强度降低。

在增材制造加工过程中，材料本身的粒径球形度也非常重要。对于增材制造技术而言，外形小，而大小一致的粉末应该是最为理想的材料，但是球粒直径越小，在成型的过程中就越容易发生过热的现象，过热可能导致溶池内已经融化的金属流动状态发生变化，使得材料内部的介质分布不均匀。而当粉末的直径过大时，还有可能使得材料的冶金变化不充分，导致成形件的紧密性降低。

另外，在增材制造加工过程中，很多材料都不是一步成型，而是需要多层多道工序来进行容积沉淀。在热处理技术过程中，一些已经成型的部分要多次进行退火、回火的处理，使得材料的残余应力会产生变化，在微观结构上出现一定的差异性。材料内部微孔特征、界面粘性等方面也会受到不同程度的影响。在这些因素综合作用之下，使得增材制造技术加工而成的产品力学性能会产生多种变化。

4 增材制造技术产品性能提升的方法分析

4.1 非金属材料

在对增材制造技术进行研究的过程中，人们对于产品的质量和机械性能的关注度非常高，并研究了多种加工方法以满足不同素材的加工需求，目的都是为了使产品的机械性能可以获得更大程度的改善。在人们探索的过程中，发现了一些复合技术可以更好地改善产品的机械性能。例如在ABS塑料中加入填充材料，可以更好地提升产品的力学性能。加入10%气相生长碳纤维能够很好地增强ABS塑料拉伸强度和弹性模量。

以材料共融而改善增材制造成品的机械性能是人们研究的一项重点。人们已经将不同的苯乙烯类嵌段共聚物和ABS塑料进行了熔融共混，发现可以使材质的强度大大提升。扩列件的加入可以更好地改善PLA素材的扩列性，使得缺口冲击强度大大提升。目前光敏树脂类在增材制造材料运用的过程中依然存在一些问题，如材质本身的机械成本较高，机械性能较低等，这些都缩小了光敏树脂的应用范围。增材制造在光敏树脂类材料的应用成为了一项热点。目前人们已经研究通过加入引发剂等，发现其力学性能可以得到较好的优化。同时用光敏树脂和适当的引发剂共混制作了一种新型的树脂，与传统材料相比，它的力学性能和热性能都得到了进一步增强。另外，在光敏树脂中融入二氧化硅加工而成的产品，体积收缩率和膨胀系数都有所降低，成型件的力学性能也得到了显著提高。

4.2 金属材料

人们在增材制造技术研究的过程中，对金属材料研究投入的精力更多，研究的时间也相对长一些，同时在如何改善金属材料综合性能方面取得的成果也比较显著。例如人们研究发现，通过激光选区融化技术来进行成型件机械加工时，随着nHA含量增大，成型件的密度和抗压强度会逐步降低，而当nHA的含量为5%时，成型机与纯不锈钢在抗拉强度和密度方面、致密度方面比较相似，所以人们可以借助科学的配比来更好地制作出符合承重要求的力学复合材料。另外采用激光熔化沉积技术制备增材复合材料时，增强相体积分数为9%的时候，复合材料表现出的力学性能最优。有学者研究了稀土氧化物La2O3在WC-10Co颗粒增强铜基复合材料中的添加，研究发现，控制La2O3的含量，当成型件密度为96.3%时，成型件的维氏硬度可达403.1。

另外，激光功率和扫描速率的调整，可以更好地避免球化现象或翘曲变形的发生，使得成型件的机械性能可以有效增加。从增材制造的金属成型件本身来讲，其内部力学性能的影响往往会使产品的机械性能大幅提升，而从力学角度来分析其内部应力结果对于整个成型件的强度和刚度会产生诸多影响。要让成型件的强度和刚度满足实际的应用要求，还必须要探索加入一些复合材质，这样才可以更好地实现增材制造产品综合性能的提升。

总之，在加工各类增材制造产品时，不仅要注重各项技术的配合应用，同时还需注意对于材料配比、加工技术等的控制，以使增材制造而成的产品性能更优。结合不同的加工要求，可以结合各类材料的使用需求来进行一些混合配置，增强传统材料的机械性能。随着人们对增材制造技术研究的不断深入，越来越多的新型工艺将会不断出现，人们还要探索通过多个要素的综合控制而更好地实现对增材制造技术的控制和升级。