深度：功能梯度增材制造綜述(2)
時間：2022-01-30 09:56 來源：江蘇激光聯盟 作者：admin 閱讀：次
5. 支持FGAM的潛在數據交換格式
大多數AM技術識別的標準數據格式通常是由多邊形網格表示的三角面模型。STL文件和OBJ文件格式只描述表面幾何形狀，沒有任何材料和屬性信息。此外，還有幾種數據交換格式——AMF (Additive Manufacturing Format)、FAV (FabricatableVoxel)、SVX (Simple Voxels)和3MF (3D Manufacturing Format)，它們可能適用于FGAM部件的生產。這些文件格式可以攜帶關于材料梯度和微觀尺度物理特性的信息，超出了固定的幾何描述。
5．1. AMF
ISO和ASTM已經認可了一種稱為增材制造格式(AMF, ISO/ASTM 52915:2016)的標準格式，這是一種基于xml的格式，能夠存儲組成物體的顏色、材料、晶格、副本和體簇。AMF文件格式可以通過SolidWorks, Inventor, Rhino和Mesh Mixer生成。AMF為FGAM提供了一個合適的平臺，包括材料規范、混合和分級材料和子結構;新材料可以定義為其他材料的組成及其孔隙率。在當前的AMF 1.2規范中，FGAM特性可以通過三種不同的形式來定義:功能表示、3D紋理或體紋理和體素表示。AMF文件包含一個臨時體素節點，旨在支持基于體素的表示。雖然AMF 1.2標準中描述了所有三種表示，但每一種都可以被有效地切片或利用來支持多種功能分級制造模式。ISO/ASTM TC261/JG64委員會目前正在開展活動，利用現有的AMF 1.2實體建模特性，并使其能夠用于進一步的AMF格式修訂，包括但不限于FGAM。
5.2. FAV
FAV格式包含在三維空間中制造零件所需的數字信息，包括物體的外部和內部，包括其顏色、材料和通過體素的連接強度。每個體素都可以用各種屬性值表示，包括顏色信息和材質信息。通過控制每個獨立體素之間的關系，用戶可以自由建模并有效管理復雜的內部結構和屬性（圖14）。FAV文件格式允許用戶以集成方式無縫地設計（CAD）、分析（CAE）和檢查（CAT）3D模型數據，而無需轉換數據。FAV數據格式允許將體素數據用于物理模擬，例如外力引起的變形（圖15）。
圖14 使用FAV格式顯示3D表單中3種不同類型材料(ABS材料、類橡膠材料和材料1)的體素排列的概念圖。
圖15 FEF系統的靜態混合器和三重擠出機原理圖。
5.3 SVX
SVX (Simple Voxels)是一種體素傳輸格式，用于攜帶基于體素的3D打印模型。SVX的基本格式是由一系列圖像切片和manifest.xml文件組成的ZIP文件。Shapeways設計的SVX優先考慮了簡單定義、易于實現和文件可擴展性的需求。其目標是轉換體素，如STL文件中的三角形，但仍然能夠包含材料分配、密度、RGB顏色或可用于其他變量的定制數據的信息。
5.4 MF
3D制造格式(3MF)是由3MFconsortium開發的一種基于xml的開放格式，可以用具有更豐富的外部和內部信息的標記格式來表示物理對象的描述，旨在為多AM系統實現交叉兼容。雖然它的推動是為了主流行業采用，3MF不支持固體建模(高階表示)，如B-Rep, NURBS和STEP。
6. FGAM的AM技術
目前，并不是所有的AM技術都能夠使用fgm。表2所示的當前AM方法已經成功地生產了FGAM組件。它們包括材料擠壓、直接能量沉積、粉末床融合、薄板層壓和PolyJet技術。
表2 參考ISO/ ASTM，支持FGM的增材制造技術及其分類。
6．1. 材料擠壓
熔融沉積建模(FDM)系統能夠有多個擠出機，每個攜帶一個材料的膏體。隨后，不同的材料被送到靜態混合器，制成均勻的糊狀物。
各層狀材料的沉積方向和絲間間隙大小是控制材料力學性能的主要制造參數。Li制作了兩個形狀相同的FDM模型(圖16a和b)，但不同的沉積密度、取向、ABS纖維和空隙之間的粘接，以展示沿水平軸的剛度差異。
圖16 單向沉積。b:各部分采用多向沉積策略。
Srivastava研究了FDM中影響功能梯度ABS零件性能的過程控制參數，包括光柵寬度、輪廓寬度、氣隙和光柵角。該框架可用于不同負載條件下功能梯度FDM組件的建模和仿真。
6.2 粉床融合
使用粉末床融合方法，如選擇性激光燒結(SLS)，如果使用正確的粉末輸送方法，可以生產具有空間變化的機械性能的復雜部件。Chung和Das利用SLS制備了不同體積分數(0-30%)的尼龍-11復合材料功能梯度聚合物納米復合材料結構，如圖17所示。采用實驗設計(DOE)方法確定了不同組分的SLS工藝參數，該方法是一種確定工藝影響因素與該工藝輸出之間關系的系統方法。通過光學顯微鏡和透射電鏡觀察了納米復合材料的密度和微觀結構。然后測試了各組分的拉伸和壓縮性能。這些性質隨填料體積分數呈非線性變化。Trainia和Sudarmadji的實驗工作也證明了SLS技術的有效應用，能夠生產Ti-6Al-4V合金植入物和支架，其孔隙度與人體骨骼結構非常匹配。
圖17 合規夾持器，每層7.62 毫米
Zhou等人開發了一種基于立體光刻(MIP -SL)的掩模圖像投影系統，以克服單一還原SLA技術的缺點(圖18)。通過安裝可切換的樹脂桶和微鏡裝置(DMD)，將掩模圖像投射到樹脂表面，從而系統地構建多材料組件，從而能夠通過單一的構建過程使用不同的材料。
圖18 基于自底向上投影的立體光刻(MIP - SL)掩模圖像投影系統。
選擇性激光熔化(SLM)是一種很有潛力的制備功能梯度金屬構件的技術。使用多個饋線可以實現異質金屬組合。Mumtaz 等利用高功率激光器制備了混合WASPaloy和氧化鋯材料的FGM組件。SLM的一個特殊優勢是它能夠制造包含周期晶格的組件。Maskery研究了均勻梯度密度的Al-Si10-Mg晶格的幾何形狀與機械行為之間的關系，以及準靜態載荷下FGM的破碎行為。在此基礎上，建立了利用SLM制造輕量化梯度晶格結構的熱處理框架。
FraunhoferIGCV也提出了原型級別連續分配和凝固兩種材料在一個組件的使用多材料FGAM Copper-Chrome-Zirconia和工具鋼的一部分被固化材料實現原位spot-wise沒有混合前的材料過程(圖19)。
圖19 由Anstaett公司生產的銅-鉻-氧化鋯和工具鋼1.2790的多材料FGAM部件采用激光基粉床融合(注:1.2709是嵌入到CuCr1-Zr錐狀)。
最后，利用EBM可以制備出具有良好機械性能的FGM零件。根據Gibson的說法，由于使用了升高的建造溫度，ebm制造的零件具有較低的殘余應力。該理論在Tan對電子束熔體Ti-6Al-4V鈦合金建立厚度相關顯微組織的模擬研究中得到了驗證。
6.3 定向能量沉積
激光金屬沉積工藝(LMD)是一種重要的直接金屬沉積技術，常用于產品再制造中。定向能量沉積(DED)技術能夠從一個3D CAD模型中修改、修復、加固部件或向現有的基礎結構添加材料，這是其他AM技術無法實現的。基于激光的DED可用于制造具有成分梯度的金屬零件，方法是根據“位置函數”來調整輸送到熔池中的金屬粉末的體積。例如，Carroll[2016]成功地采用了一種熱力學計算建模方法，通過RPM 557激光沉積系統使用DED技術，在由304 L不銹鋼逐步升級到Inconel 625的氬氣氣氛下生產FGM。設計的系統允許多達四種粉末添加到制造過程中，每個粉末的體積分數可以改變約1%的沉積層。圖20所示的分級組合通過大約0.5 mm高的63層，由910 W YAG激光器建立，艙口角為60°。
圖20 梯度合金試樣示意圖和照片。虛線顯示了為分析而切片的位置。
6.4 表紋理
Kumar成功地利用不銹鋼、鋁和銅箔，通過超聲固結(UC)實現了金屬FGM的新發展，如圖21所示。金屬箔通過超聲波焊接連接，使用UC機器，以20 kHz的頻率機械振動焊接頭(聲納極)。
圖21 (左):超聲固結法制備的銅箔(CU)、不銹鋼(SS)和鋁(Al1100和3003)梯度層金屬FGM。(右):FGM試樣的金相圖。
6.5. 物料噴射
在所有AM技術中，PolyJet可以將最廣泛的顏色和材料合并到一個單一的印刷品中。像剛性結構的柔性過模塑這樣的應用可以很容易地在一張紙上實現。例如，橡膠類零件的肖氏硬度可以在27到95之間。通過其廣泛的數字材料庫，功能梯度復合材料零件可以具有多達82種不同的材料特性。具有獨特性能的特殊材料也可用于特殊應用，如醫療和牙科應用的生物相容性。所有可能的組合都是在Objet Studio和PolyJet Studio軟件中預先配置和選擇的。根據圖22，通過將半透明橡膠狀材料Tango Plus與兩種剛性不透明材料Vero magenta和Vero yellow合并，可以實現黃色到品紅的顏色梯度。當顏色的強度和不透明度減弱時，分級強度增加。
圖22 Stratasys展示的口感色調
6.6 當前AM技術面臨的挑戰
AM組件仍然容易出現較高的內部和外部缺陷，以及對公差的控制較差。由于監管有限，且對操作變量的理解薄弱，零件質量和表面光潔度標準在批次或機器類型之間可能存在很大差異。制造具有復雜內部結構的FGAM零件，并在微觀結構水平上精確分布組成相，意味著FGAM必須提高層間交換材料的交付速度、精度和有效性。商業上可用的AM技術仍然主要在各向同性材料上運行，側重于基本的幾何描述，并指定單個材料來構建整個組件。對于需要高水平現場測量的FGAM工藝而言，材料表征是最重要的挑戰。雖然已經建立了一個模型框架來演示可變屬性梯度打印的方法，但仍然需要研究能夠保證更可靠和可預測結果的程序和協議，特別是處理整個結構中具有組成相和過渡性質的材料的分布，以及以經濟方式支持FGAM的材料選擇、平臺結構和制造速度的考慮。為了轉移到功能性FGAM零件，必須開發一種新型材料輸送系統。
7. 結論
本文介紹了FGAM的概念理解和從設計到制造的過程。FGAM技術為設計師和工程師提供了巨大的潛力，通過戰略性地控制物質的密度和材料的混合來制造可變性質的結構。隨著這一技術的成熟和應用的增加，未來的工作將集中于調整聚集物、發泡劑的比例，或使用FGAM對支架和生物墨水進行生物打印。FGAM的另一個可預見的根本性變化是使用多種刺激響應材料，在這種材料中，當受到適當的刺激觸發時，制造出來的組件可以經歷從一種形狀到另一種形狀的幾何轉換。FGAM可以定制4D打印組件的微觀結構特性，通過戰略性地控制刺激響應材料的密度和方向性，創建更復雜的幾何變換。它還可以改善異質智能組合物的層壓，甚至不考慮材料的活性或非活性特性。盡管FGAM在未來生產中的潛力是無限的，但我們卻因缺乏全面的“材料-產品-制造”原則、指南和最佳FGAM實踐標準而受到限制。尚未建立適當的方法，以便在商業或經濟規模上充分發揮和開發FGAM的真正潛力。整個數字鏈的各個部門都需要采取一種全球性的方法來解決相關的基本問題，以鼓勵FGAM的主流使用。
來源：An overview of functionally graded additive manufacturing，AdditiveManufacturing，doi.org/10.1016/j.addma.2018.06.023
參考文獻：N. Oxman, S. Keating, E. Tsai，Functionally GradedRapid Prototyping，Mediated Matter Group, MIT Media Lab (2011)
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