深度：功能梯度增材制造綜述
時(shí)間：2022-01-30 09:56 來(lái)源：江蘇激光聯(lián)盟 作者：admin 閱讀：次
導(dǎo)讀：本文介紹了對(duì)FGAM概念的最新理解，涵蓋了能夠生產(chǎn)FGAM部件的現(xiàn)有技術(shù)的概述，并確定了當(dāng)前技術(shù)的局限性和挑戰(zhàn)。
功能梯度增材制造(FGAM)是一種逐層制造工藝，涉及到在一個(gè)組件內(nèi)逐步改變材料組織，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。FGAM通過將性能驅(qū)動(dòng)的功能直接嵌入材料中，實(shí)現(xiàn)了從外形建模到性能建模的根本性轉(zhuǎn)變。FGAM可以戰(zhàn)略性地控制復(fù)合材料的密度和孔隙率，或者可以將不同的材料組合在一起，形成無(wú)縫整體結(jié)構(gòu)。本文介紹了對(duì)FGAM概念的最新理解，涵蓋了能夠生產(chǎn)FGAM部件的現(xiàn)有技術(shù)的概述，并確定了當(dāng)前技術(shù)的局限性和挑戰(zhàn)。本文提出了克服這些障礙的可能策略，并對(duì)未來(lái)的設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)提出了建議。
1. 介紹和定義
功能梯度材料(fgf)是一類先進(jìn)的材料，其特征是在整個(gè)體量中組成的空間變化，有助于材料性能的相應(yīng)變化，符合功能要求。部件的多功能狀態(tài)是通過微結(jié)構(gòu)的材料配置來(lái)定制的，以滿足預(yù)期的性能要求。組織級(jí)配有助于材料性能之間的平穩(wěn)過渡。
上圖顯示了金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)在半絕緣GaAs上生長(zhǎng)的晶圓的層結(jié)構(gòu)。在緩沖層生長(zhǎng)后，將Al0.3Ga0.7As在57 nm處進(jìn)行晶格匹配生長(zhǎng)，并在2.5×1012 cm−2處摻雜p型三角形碳。然后，AlGaAs的間隔層與窄帶隙In0.2Ga0.8As的8 nm層形成異質(zhì)結(jié)。帶偏移使受體摻雜物產(chǎn)生的空穴氣體在生長(zhǎng)方向上不運(yùn)動(dòng)，但載流子可以自由地在其他兩個(gè)維度上移動(dòng)，從而產(chǎn)生2DHG。A109.4-nm砷化鎵層上生長(zhǎng)InGaAs吸收光和激發(fā)產(chǎn)生的2 d水庫(kù)與運(yùn)營(yíng)商,后跟一個(gè)5-nm AlGaAs間隔和56.4 nm AlGaAs n型層與Si delta-doped 6×1012厘米−2摻雜劑密度,為了產(chǎn)生一個(gè)二維電子氣在這個(gè)界面。此外，為了進(jìn)行比較，我們制作了幾何相同的器件，包括單一的2DEG或2DHG層，未摻雜的常規(guī)結(jié)構(gòu)，沒有二維電荷儲(chǔ)層，以及15對(duì)GaAs/AlGaAs晶圓，它們形成了830 nm波長(zhǎng)的布拉格鏡，也生長(zhǎng)以產(chǎn)生共振腔增強(qiáng)(RCE)結(jié)構(gòu)
增材制造(AM)是一種固體自由制造技術(shù)，通過在設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)將材料精確放置在指定位置，可以直接制造出精細(xì)的定制組件。多年來(lái)，由于可制造性的提高，AM技術(shù)已經(jīng)從制造一次性原型擴(kuò)展到制造全尺寸的最終用途部件。如今的AM系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步使得FGM的使用成為可能，從而產(chǎn)生了“功能梯度增材制造”(FGM)這一術(shù)語(yǔ)，它是一種逐層制造技術(shù)，涉及到在一個(gè)組件中逐步改變材料組織，以滿足預(yù)期的功能。
FGAM是一種以材料為中心的制造過程，建立了從外形建模到性能建模的根本性轉(zhuǎn)變。隨著AM技術(shù)的發(fā)展，可以在復(fù)雜的三維分布中戰(zhàn)略性地控制材料沉積的密度和方向性，也可以通過改變沉積密度和方向性來(lái)將各種材料組合成無(wú)縫的整體結(jié)構(gòu)。FGAM可實(shí)現(xiàn)的潛在微觀結(jié)構(gòu)梯度成分可分為3種類型:(a)均勻成分內(nèi)的變致密化;(b)通過漸進(jìn)過渡同時(shí)結(jié)合兩種或多種材料而形成的異質(zhì)成分;以及(c)在異質(zhì)成分中使用可變致密化的組合。
1．1. 均質(zhì)成分
1.1.1 單一材料FGAM
均勻的FGAM成分通過體素方法有策略地調(diào)節(jié)空間微結(jié)構(gòu)或晶格結(jié)構(gòu)的形態(tài)，從而產(chǎn)生孔隙度或密度梯度。這種方法稱為變密度FGAM。在單片各向異性復(fù)合結(jié)構(gòu)中，材料物質(zhì)的方向性、大小和密度濃度會(huì)導(dǎo)致剛度和彈性等功能偏差(圖1)。
FGAM可以是一種受生物啟發(fā)的快速制造，模仿在自然界中發(fā)現(xiàn)的材料結(jié)構(gòu)，如棕櫚樹的徑向密度梯度，骨的海綿狀小梁結(jié)構(gòu)或肌肉的組織變化。不同密度的FGAM可以通過調(diào)整晶格排列和改變支柱幾何形狀來(lái)保持結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但同時(shí)也減少了整體重量，從而實(shí)現(xiàn)輕量化結(jié)構(gòu)。這可以在圖2中舉例說明，其中使用改進(jìn)的3D打印機(jī)制作的3D打印混凝土，展示了棕櫚樹細(xì)胞結(jié)構(gòu)的徑向密度梯度概念。從堅(jiān)固的外部到多孔核心的逐漸過渡導(dǎo)致了優(yōu)異的強(qiáng)度與重量比，使混凝土更輕、更高效、更強(qiáng)。
1.2 異構(gòu)的成分
1.2.1 多材料FGAM
FGAM通過一種動(dòng)態(tài)組合梯度或復(fù)雜形態(tài)的方法來(lái)解決多重材料方面的問題。階段的幾何和材料安排控制了FGAM組件的整體功能和性能。多材料FGAM尋求改善不同或不相容材料之間的界面結(jié)合(圖3b)。不同的邊界可以通過從分散到相互連接的第二相結(jié)構(gòu)的非均勻成分過渡、離散成分參數(shù)分層分級(jí)或光滑濃度梯度去除。這樣可以避免傳統(tǒng)的多材料增材制造過程中由于材料性能的離散變化而導(dǎo)致的常見故障，如分層、裂紋等(圖3a)。在臨界位置采用不同的膨脹系數(shù)可以大大降低材料的面內(nèi)應(yīng)力和橫向應(yīng)力，同時(shí)可以改善和提高材料的殘余應(yīng)力分布
通過融合使用動(dòng)態(tài)梯度材料到另一個(gè)材料規(guī)整,打印組件可以有兩種材料的最優(yōu)屬性(圖4)。它可以過渡在體重,但其韌性,耐磨性,耐沖擊或其物理、化學(xué)或生物化學(xué)或機(jī)械性能。材料的非均質(zhì)混合物不再需要在其固有性質(zhì)上妥協(xié)，以實(shí)現(xiàn)理想的成分性質(zhì)。多材料FGAM還可以在小截面或預(yù)先確定的零件周圍的戰(zhàn)略位置上提供特定位置的性能。
圖5展示了在Multi-material FGAM中，材料從一端的0%到另一端的100%之間的平滑無(wú)縫過渡。三維空間內(nèi)的連續(xù)變化可以通過控制兩種或更多材料在沉積和固化之前的混合比例來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，組成的變化必須由計(jì)算機(jī)程序控制。Vaezi也認(rèn)為，沉積或凝固前預(yù)混合或復(fù)合的原料不應(yīng)被視為多材料FGAM。
異質(zhì)成分梯度的設(shè)計(jì)可以分為4種類型:2種材料之間的過渡(圖6)、3種或以上材料之間的過渡(圖7)、不同位置之間的切換成分(圖8)或密度和成分梯度的組合(圖9)。
FGAM的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)包括梯度矢量的維數(shù)、幾何形狀和等勢(shì)面的重新劃分。組件的特征和功能進(jìn)一步由組成中的梯度方向決定。體積梯度的設(shè)計(jì)和類型可按圖10所示的1D、2D和3D進(jìn)行分類，并可將材料均勻分布或通過特殊圖案分布。
2. FGAM的設(shè)計(jì)與建模
FGAM的使用要求基于三聯(lián)“材料-產(chǎn)品-制造”方法對(duì)刀具路徑進(jìn)行良好的控制。FGAM的制造過程與AM工作流程相對(duì)類似，從使用CAD生成實(shí)體模型、切片、將CAD文件轉(zhuǎn)換為。STL或適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)交換文件格式，驗(yàn)證STL數(shù)據(jù)，確定最佳方向，支持生成，工具路徑定義，制造和后處理。然而，關(guān)鍵的區(qū)別在于，F(xiàn)GAM對(duì)材料屬性和設(shè)計(jì)組件中每個(gè)體素的行為的描述和分配具有更高的優(yōu)先級(jí)(圖11，表1)。
3.材料描述的局限性
在幾何信息的基礎(chǔ)上表示材料對(duì)于單材料和多材料FGAM都具有重要意義。定義最佳材料分布函數(shù)需要廣泛的材料數(shù)據(jù)知識(shí)，包括化學(xué)成分、其特征和制造約束。AM的材料選擇仍然普遍受到限制。目前，對(duì)于材料相容性、性質(zhì)可變、非均勻材料的混合范圍沒有設(shè)計(jì)指導(dǎo)方針，缺乏空間選擇、梯度分布、過渡階段安排等最優(yōu)性質(zhì)分布框架。例如，梯度的設(shè)計(jì)和過渡階段的安排還沒有完全了解，只有很少的商業(yè)軟件存在，可以模擬梯度的設(shè)計(jì)，如AutoDesk Monolith，這是一個(gè)基于體素的多材料3D打印建模引擎。因此，沒有材料科學(xué)背景的設(shè)計(jì)師或工程師很難充分利用FGAM的潛力。
在制備高強(qiáng)度或低強(qiáng)度的梯度材料時(shí)，必須仔細(xì)測(cè)量和量化微觀結(jié)構(gòu)的改變所帶來(lái)的材料性能的變化。T-Williams提出了兩種有用的方法，利用理想指數(shù)律和材料元素“Maxels”對(duì)功能梯度構(gòu)件的響應(yīng)進(jìn)行建模。分析的有限元方法(FEM)也可以用來(lái)顯示和建議在預(yù)先確定的情況下的一組優(yōu)化的元素，以提供更好的理解材料性能將如何表現(xiàn)(如ABAQUS)。理解FGAM產(chǎn)生的預(yù)測(cè)組件和實(shí)際組件之間的差異是至關(guān)重要的。由于不同材料在不同操作條件下相互作用的可變性，制造部件的化學(xué)成分及其材料特性的分布可能會(huì)偏離實(shí)際生產(chǎn)材料。例如，物理和技術(shù)因素，如凝固過程中溶質(zhì)的宏觀偏析和不良的過程控制，可以導(dǎo)致變化的公差和劣質(zhì)零件被生產(chǎn)。這可以通過在構(gòu)建過程中進(jìn)行原位監(jiān)控來(lái)減少。設(shè)計(jì)規(guī)則和方法，通過了解所需的性能混合，所需的相安排，和材料的兼容性，必須建立，以避免不良的結(jié)果。
“加工-結(jié)構(gòu)-性能”關(guān)系的知識(shí)可以通過共享數(shù)據(jù)庫(kù)材料性能信息目錄獲得。Bashayam建議，應(yīng)該建立包括材料組成、功能和應(yīng)用在內(nèi)的信息，以幫助設(shè)計(jì)師根據(jù)其設(shè)計(jì)中的拓?fù)浜蛶缀巫兓瘉?lái)選擇理想的材料組成。Comotti還建議將“功能-行為-結(jié)構(gòu)”FBS本體應(yīng)用到模型中，通過配方、合成、分析、評(píng)價(jià)、記錄和重新配方等8個(gè)基本步驟計(jì)算和預(yù)測(cè)功能分級(jí)構(gòu)件的行為(圖12)。
4. 當(dāng)前的FGAM軟件限制
計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中的現(xiàn)代信息技術(shù)取得了進(jìn)步，為3D模型提供了多種文件格式，以便與AM系統(tǒng)進(jìn)行通信。CAD中常見的4種幾何表示技術(shù)包括邊界表示（B-rep）、構(gòu)造實(shí)體幾何（CSG）、空間分解和函數(shù)表示（F-rep）。基于B-rep和F-rep的方法表示三維形狀的幾何圖形，而不描述部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料信息，而并行表示（PR）包括基于空間分解的PR，基于構(gòu)造實(shí)體幾何（CSG）的PR和基于層次結(jié)構(gòu)的PR描述了幾何和材料。
FGAM需要一種新的計(jì)算建模方法，它包含自組織的概念。這就需要一種新的計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)分析方法，能夠指定、建模和管理材料信息，用于局部成分控制(LCC)。必須要有一種切割、分析和制備FGAM的新方法。新的AM軟件流程應(yīng)該能夠在FGAM模型生成過程中，以邏輯分布的方式戰(zhàn)略性地控制物質(zhì)的密度、方向性和分配。
Richards首先提出了一個(gè)計(jì)算方法使用CPPN(組成模式生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò))編碼和一個(gè)可擴(kuò)展的算法使用整潔(Neuroevolution增強(qiáng)拓?fù)?嵌入功能形態(tài)和宏觀性質(zhì)的物理特性使用多材料FGAM通過voxel-by-voxel描述的函數(shù)其笛卡爾坐標(biāo)(x,y,z)(圖13a和b)。
目前，將FGAM的體素模型從常見的幾何格式(即STL文件)轉(zhuǎn)換為體素模型需要大量的計(jì)算，并且很難實(shí)現(xiàn)具有高度細(xì)化細(xì)節(jié)的裁剪格。作為一種解決方案，Richard引入了另一種設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)，用體積紋理映射來(lái)表示材料-幾何-拓?fù)洹ｓw素模型是通過算法生成的。因此，必要的修改可以手動(dòng)修改體素，然后編譯回紋理描述，以允許在不同的尺度上進(jìn)行更改。目前只有很少的軟件開發(fā)可以模擬梯度設(shè)計(jì)，如Autodesk Monolith、Stratasys GrabCAD Voxel Print，這是基于體素的建模引擎，支持多材料FGAM。盡管如此，關(guān)于定義宏觀性質(zhì)的估計(jì)，仍然會(huì)有很多的遭遇。
AM軟件過程的另一個(gè)重要元素是“切片”程序，它支持AM系統(tǒng)的參數(shù)化工具路徑和相關(guān)命令。需要新的方法來(lái)切片、分析和制備用于制造的FGAM組件。Steuben提出了一種基于生成工具路徑的切片算法，這些工具路徑來(lái)源于基于啟發(fā)式或基于物理的任意場(chǎng)。Hascoet建立了一套數(shù)學(xué)公式，用于切割四種可能的雙材料梯度類型。每個(gè)類型學(xué)類都有一個(gè)相關(guān)的面向零件策略，可以為FGAM實(shí)現(xiàn)。Wu提出使用具有幾何約束的材料重取樣(MRGC)，這為切割FGAM零件提供了另一種選擇。
功能梯度增材制造(FGAM)是一種逐層制造工藝，涉及到在一個(gè)組件內(nèi)逐步改變材料組織，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。FGAM通過將性能驅(qū)動(dòng)的功能直接嵌入材料中，實(shí)現(xiàn)了從外形建模到性能建模的根本性轉(zhuǎn)變。FGAM可以戰(zhàn)略性地控制復(fù)合材料的密度和孔隙率，或者可以將不同的材料組合在一起，形成無(wú)縫整體結(jié)構(gòu)。本文介紹了對(duì)FGAM概念的最新理解，涵蓋了能夠生產(chǎn)FGAM部件的現(xiàn)有技術(shù)的概述，并確定了當(dāng)前技術(shù)的局限性和挑戰(zhàn)。本文提出了克服這些障礙的可能策略，并對(duì)未來(lái)的設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)提出了建議。
1. 介紹和定義
功能梯度材料(fgf)是一類先進(jìn)的材料，其特征是在整個(gè)體量中組成的空間變化，有助于材料性能的相應(yīng)變化，符合功能要求。部件的多功能狀態(tài)是通過微結(jié)構(gòu)的材料配置來(lái)定制的，以滿足預(yù)期的性能要求。組織級(jí)配有助于材料性能之間的平穩(wěn)過渡。
(a)頂照光電探測(cè)器層結(jié)構(gòu)。調(diào)制摻雜產(chǎn)生的二維電子和空穴儲(chǔ)氣層被~110 nm的GaAs吸收光區(qū)隔開，并分別接觸。(b)器件中部沿生長(zhǎng)方向計(jì)算的能帶圖顯示存在較大的垂直電場(chǎng)，以及只能在二維空間內(nèi)移動(dòng)的致密電子和空穴氣體。
上圖顯示了金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)在半絕緣GaAs上生長(zhǎng)的晶圓的層結(jié)構(gòu)。在緩沖層生長(zhǎng)后，將Al0.3Ga0.7As在57 nm處進(jìn)行晶格匹配生長(zhǎng)，并在2.5×1012 cm−2處摻雜p型三角形碳。然后，AlGaAs的間隔層與窄帶隙In0.2Ga0.8As的8 nm層形成異質(zhì)結(jié)。帶偏移使受體摻雜物產(chǎn)生的空穴氣體在生長(zhǎng)方向上不運(yùn)動(dòng)，但載流子可以自由地在其他兩個(gè)維度上移動(dòng)，從而產(chǎn)生2DHG。A109.4-nm砷化鎵層上生長(zhǎng)InGaAs吸收光和激發(fā)產(chǎn)生的2 d水庫(kù)與運(yùn)營(yíng)商,后跟一個(gè)5-nm AlGaAs間隔和56.4 nm AlGaAs n型層與Si delta-doped 6×1012厘米−2摻雜劑密度,為了產(chǎn)生一個(gè)二維電子氣在這個(gè)界面。此外，為了進(jìn)行比較，我們制作了幾何相同的器件，包括單一的2DEG或2DHG層，未摻雜的常規(guī)結(jié)構(gòu)，沒有二維電荷儲(chǔ)層，以及15對(duì)GaAs/AlGaAs晶圓，它們形成了830 nm波長(zhǎng)的布拉格鏡，也生長(zhǎng)以產(chǎn)生共振腔增強(qiáng)(RCE)結(jié)構(gòu)
增材制造(AM)是一種固體自由制造技術(shù)，通過在設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)將材料精確放置在指定位置，可以直接制造出精細(xì)的定制組件。多年來(lái)，由于可制造性的提高，AM技術(shù)已經(jīng)從制造一次性原型擴(kuò)展到制造全尺寸的最終用途部件。如今的AM系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步使得FGM的使用成為可能，從而產(chǎn)生了“功能梯度增材制造”(FGM)這一術(shù)語(yǔ)，它是一種逐層制造技術(shù)，涉及到在一個(gè)組件中逐步改變材料組織，以滿足預(yù)期的功能。
FGAM是一種以材料為中心的制造過程，建立了從外形建模到性能建模的根本性轉(zhuǎn)變。隨著AM技術(shù)的發(fā)展，可以在復(fù)雜的三維分布中戰(zhàn)略性地控制材料沉積的密度和方向性，也可以通過改變沉積密度和方向性來(lái)將各種材料組合成無(wú)縫的整體結(jié)構(gòu)。FGAM可實(shí)現(xiàn)的潛在微觀結(jié)構(gòu)梯度成分可分為3種類型:(a)均勻成分內(nèi)的變致密化;(b)通過漸進(jìn)過渡同時(shí)結(jié)合兩種或多種材料而形成的異質(zhì)成分;以及(c)在異質(zhì)成分中使用可變致密化的組合。
1．1. 均質(zhì)成分
1.1.1 單一材料FGAM
均勻的FGAM成分通過體素方法有策略地調(diào)節(jié)空間微結(jié)構(gòu)或晶格結(jié)構(gòu)的形態(tài)，從而產(chǎn)生孔隙度或密度梯度。這種方法稱為變密度FGAM。在單片各向異性復(fù)合結(jié)構(gòu)中，材料物質(zhì)的方向性、大小和密度濃度會(huì)導(dǎo)致剛度和彈性等功能偏差(圖1)。
圖1 多種多樣的致密化FGAM。
FGAM可以是一種受生物啟發(fā)的快速制造，模仿在自然界中發(fā)現(xiàn)的材料結(jié)構(gòu)，如棕櫚樹的徑向密度梯度，骨的海綿狀小梁結(jié)構(gòu)或肌肉的組織變化。不同密度的FGAM可以通過調(diào)整晶格排列和改變支柱幾何形狀來(lái)保持結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但同時(shí)也減少了整體重量，從而實(shí)現(xiàn)輕量化結(jié)構(gòu)。這可以在圖2中舉例說明，其中使用改進(jìn)的3D打印機(jī)制作的3D打印混凝土，展示了棕櫚樹細(xì)胞結(jié)構(gòu)的徑向密度梯度概念。從堅(jiān)固的外部到多孔核心的逐漸過渡導(dǎo)致了優(yōu)異的強(qiáng)度與重量比，使混凝土更輕、更高效、更強(qiáng)。
圖2 通過基廷模擬棕櫚樹的徑向密度梯度變化致密化FGAM混凝土。
1.2 異構(gòu)的成分
1.2.1 多材料FGAM
FGAM通過一種動(dòng)態(tài)組合梯度或復(fù)雜形態(tài)的方法來(lái)解決多重材料方面的問題。階段的幾何和材料安排控制了FGAM組件的整體功能和性能。多材料FGAM尋求改善不同或不相容材料之間的界面結(jié)合(圖3b)。不同的邊界可以通過從分散到相互連接的第二相結(jié)構(gòu)的非均勻成分過渡、離散成分參數(shù)分層分級(jí)或光滑濃度梯度去除。這樣可以避免傳統(tǒng)的多材料增材制造過程中由于材料性能的離散變化而導(dǎo)致的常見故障，如分層、裂紋等(圖3a)。在臨界位置采用不同的膨脹系數(shù)可以大大降低材料的面內(nèi)應(yīng)力和橫向應(yīng)力，同時(shí)可以改善和提高材料的殘余應(yīng)力分布
圖3 傳統(tǒng)的多材料增材制造與多材料FGAM。
通過融合使用動(dòng)態(tài)梯度材料到另一個(gè)材料規(guī)整,打印組件可以有兩種材料的最優(yōu)屬性(圖4)。它可以過渡在體重,但其韌性,耐磨性,耐沖擊或其物理、化學(xué)或生物化學(xué)或機(jī)械性能。材料的非均質(zhì)混合物不再需要在其固有性質(zhì)上妥協(xié)，以實(shí)現(xiàn)理想的成分性質(zhì)。多材料FGAM還可以在小截面或預(yù)先確定的零件周圍的戰(zhàn)略位置上提供特定位置的性能。
圖4 傳統(tǒng)復(fù)合材料與FGAM復(fù)合材料的對(duì)比及結(jié)構(gòu)示意圖，以說明材料導(dǎo)熱系數(shù)(....)和彈性模量(-)的變化。
圖5展示了在Multi-material FGAM中，材料從一端的0%到另一端的100%之間的平滑無(wú)縫過渡。三維空間內(nèi)的連續(xù)變化可以通過控制兩種或更多材料在沉積和固化之前的混合比例來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，組成的變化必須由計(jì)算機(jī)程序控制。Vaezi也認(rèn)為，沉積或凝固前預(yù)混合或復(fù)合的原料不應(yīng)被視為多材料FGAM。
圖5 兩種材料之間具有連續(xù)梯度微結(jié)構(gòu)的多材料FGAM。
異質(zhì)成分梯度的設(shè)計(jì)可以分為4種類型:2種材料之間的過渡(圖6)、3種或以上材料之間的過渡(圖7)、不同位置之間的切換成分(圖8)或密度和成分梯度的組合(圖9)。
圖6 MM FGAM(2種材料)。
圖7 MM FGAM(3種材料)。
圖8 切換組合。
圖9 在非均勻材料中密度和成分級(jí)配的結(jié)合。
FGAM的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)包括梯度矢量的維數(shù)、幾何形狀和等勢(shì)面的重新劃分。組件的特征和功能進(jìn)一步由組成中的梯度方向決定。體積梯度的設(shè)計(jì)和類型可按圖10所示的1D、2D和3D進(jìn)行分類，并可將材料均勻分布或通過特殊圖案分布。
圖10 梯度分類的類型。
2. FGAM的設(shè)計(jì)與建模
FGAM的使用要求基于三聯(lián)“材料-產(chǎn)品-制造”方法對(duì)刀具路徑進(jìn)行良好的控制。FGAM的制造過程與AM工作流程相對(duì)類似，從使用CAD生成實(shí)體模型、切片、將CAD文件轉(zhuǎn)換為。STL或適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)交換文件格式，驗(yàn)證STL數(shù)據(jù)，確定最佳方向，支持生成，工具路徑定義，制造和后處理。然而，關(guān)鍵的區(qū)別在于，F(xiàn)GAM對(duì)材料屬性和設(shè)計(jì)組件中每個(gè)體素的行為的描述和分配具有更高的優(yōu)先級(jí)(圖11，表1)。
圖11 從設(shè)計(jì)到制造的FGAM工藝流程。
表1 FGAM的制造方法
3.材料描述的局限性
在幾何信息的基礎(chǔ)上表示材料對(duì)于單材料和多材料FGAM都具有重要意義。定義最佳材料分布函數(shù)需要廣泛的材料數(shù)據(jù)知識(shí)，包括化學(xué)成分、其特征和制造約束。AM的材料選擇仍然普遍受到限制。目前，對(duì)于材料相容性、性質(zhì)可變、非均勻材料的混合范圍沒有設(shè)計(jì)指導(dǎo)方針，缺乏空間選擇、梯度分布、過渡階段安排等最優(yōu)性質(zhì)分布框架。例如，梯度的設(shè)計(jì)和過渡階段的安排還沒有完全了解，只有很少的商業(yè)軟件存在，可以模擬梯度的設(shè)計(jì)，如AutoDesk Monolith，這是一個(gè)基于體素的多材料3D打印建模引擎。因此，沒有材料科學(xué)背景的設(shè)計(jì)師或工程師很難充分利用FGAM的潛力。
在制備高強(qiáng)度或低強(qiáng)度的梯度材料時(shí)，必須仔細(xì)測(cè)量和量化微觀結(jié)構(gòu)的改變所帶來(lái)的材料性能的變化。T-Williams提出了兩種有用的方法，利用理想指數(shù)律和材料元素“Maxels”對(duì)功能梯度構(gòu)件的響應(yīng)進(jìn)行建模。分析的有限元方法(FEM)也可以用來(lái)顯示和建議在預(yù)先確定的情況下的一組優(yōu)化的元素，以提供更好的理解材料性能將如何表現(xiàn)(如ABAQUS)。理解FGAM產(chǎn)生的預(yù)測(cè)組件和實(shí)際組件之間的差異是至關(guān)重要的。由于不同材料在不同操作條件下相互作用的可變性，制造部件的化學(xué)成分及其材料特性的分布可能會(huì)偏離實(shí)際生產(chǎn)材料。例如，物理和技術(shù)因素，如凝固過程中溶質(zhì)的宏觀偏析和不良的過程控制，可以導(dǎo)致變化的公差和劣質(zhì)零件被生產(chǎn)。這可以通過在構(gòu)建過程中進(jìn)行原位監(jiān)控來(lái)減少。設(shè)計(jì)規(guī)則和方法，通過了解所需的性能混合，所需的相安排，和材料的兼容性，必須建立，以避免不良的結(jié)果。
“加工-結(jié)構(gòu)-性能”關(guān)系的知識(shí)可以通過共享數(shù)據(jù)庫(kù)材料性能信息目錄獲得。Bashayam建議，應(yīng)該建立包括材料組成、功能和應(yīng)用在內(nèi)的信息，以幫助設(shè)計(jì)師根據(jù)其設(shè)計(jì)中的拓?fù)浜蛶缀巫兓瘉?lái)選擇理想的材料組成。Comotti還建議將“功能-行為-結(jié)構(gòu)”FBS本體應(yīng)用到模型中，通過配方、合成、分析、評(píng)價(jià)、記錄和重新配方等8個(gè)基本步驟計(jì)算和預(yù)測(cè)功能分級(jí)構(gòu)件的行為(圖12)。
圖12 功能-行為-結(jié)構(gòu)(FBS)框架中的8個(gè)步驟，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算FGM組件的行為。
4. 當(dāng)前的FGAM軟件限制
計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中的現(xiàn)代信息技術(shù)取得了進(jìn)步，為3D模型提供了多種文件格式，以便與AM系統(tǒng)進(jìn)行通信。CAD中常見的4種幾何表示技術(shù)包括邊界表示（B-rep）、構(gòu)造實(shí)體幾何（CSG）、空間分解和函數(shù)表示（F-rep）。基于B-rep和F-rep的方法表示三維形狀的幾何圖形，而不描述部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料信息，而并行表示（PR）包括基于空間分解的PR，基于構(gòu)造實(shí)體幾何（CSG）的PR和基于層次結(jié)構(gòu)的PR描述了幾何和材料。
FGAM需要一種新的計(jì)算建模方法，它包含自組織的概念。這就需要一種新的計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)分析方法，能夠指定、建模和管理材料信息，用于局部成分控制(LCC)。必須要有一種切割、分析和制備FGAM的新方法。新的AM軟件流程應(yīng)該能夠在FGAM模型生成過程中，以邏輯分布的方式戰(zhàn)略性地控制物質(zhì)的密度、方向性和分配。
Richards首先提出了一個(gè)計(jì)算方法使用CPPN(組成模式生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò))編碼和一個(gè)可擴(kuò)展的算法使用整潔(Neuroevolution增強(qiáng)拓?fù)?嵌入功能形態(tài)和宏觀性質(zhì)的物理特性使用多材料FGAM通過voxel-by-voxel描述的函數(shù)其笛卡爾坐標(biāo)(x,y,z)(圖13a和b)。
圖13 a:簡(jiǎn)單的漸變圖案，通過對(duì)每個(gè)像素的x和y坐標(biāo)求和生成顏色:C. b: CPPN生成的圖案。上面的公式顯示了用紅色邊框的體素的計(jì)算。(讀者可參考本文的網(wǎng)絡(luò)版，以解釋本圖例中有關(guān)顏色的參考資料。)
目前，將FGAM的體素模型從常見的幾何格式(即STL文件)轉(zhuǎn)換為體素模型需要大量的計(jì)算，并且很難實(shí)現(xiàn)具有高度細(xì)化細(xì)節(jié)的裁剪格。作為一種解決方案，Richard引入了另一種設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)，用體積紋理映射來(lái)表示材料-幾何-拓?fù)洹ｓw素模型是通過算法生成的。因此，必要的修改可以手動(dòng)修改體素，然后編譯回紋理描述，以允許在不同的尺度上進(jìn)行更改。目前只有很少的軟件開發(fā)可以模擬梯度設(shè)計(jì)，如Autodesk Monolith、Stratasys GrabCAD Voxel Print，這是基于體素的建模引擎，支持多材料FGAM。盡管如此，關(guān)于定義宏觀性質(zhì)的估計(jì)，仍然會(huì)有很多的遭遇。
AM軟件過程的另一個(gè)重要元素是“切片”程序，它支持AM系統(tǒng)的參數(shù)化工具路徑和相關(guān)命令。需要新的方法來(lái)切片、分析和制備用于制造的FGAM組件。Steuben提出了一種基于生成工具路徑的切片算法，這些工具路徑來(lái)源于基于啟發(fā)式或基于物理的任意場(chǎng)。Hascoet建立了一套數(shù)學(xué)公式，用于切割四種可能的雙材料梯度類型。每個(gè)類型學(xué)類都有一個(gè)相關(guān)的面向零件策略，可以為FGAM實(shí)現(xiàn)。Wu提出使用具有幾何約束的材料重取樣(MRGC)，這為切割FGAM零件提供了另一種選擇。
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