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长三角G60激光联盟导读
华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室科研人员综述了增材制造技术最新进展：华中科技大学快速制造中心取得的成果。相关论文以“Recent Advances in Additive Manufacturing Technology: Achievements of the Rapid Manufacturing Center in Huazhong University of Science and Technology”为题发表在《Additive Manufacturing Frontiers》上。
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增材制造（AM）技术能够自下而上、逐层地根据三维模型数据创建各种组件和复杂结构。因此，增材制造技术给现代制造业带来了革命性的变化，吸引了学术界和工业界越来越多的关注。华中科技大学材料科学与工程学院快速制造中心（RMC）是国内最早、最具实力的AM研究团队之一，自1991年以来一直从事AM研究。针对AM特定高强度产品的“卡脖子”问题，RMC在AM特殊材料、工艺、装备、应用等方面开展了全链条研究。此外，在过去三十年中，该中心还组建了一支多学科研究团队。在AM领域取得的相关研究成果包括五项国家级奖励、十余项省部级一等奖和十余项省部级二等奖。RMC被国际权威激光AM杂志《虚拟和物理原型》（Virtual and Physical
Prototyping）誉为“2018年全球激光增材制造领域最具影响力的组织”。此外，其产业化成果还被国际权威的《Wohlers AM 报告》评价为“影响了新加坡、韩国和美国等国家”。在本研究中，科研人员首先总结了RMC在AM领域的代表性研究成果。此外，科研人员还从原料选择、打印工艺、诱导策略和潜在应用等方面讨论了前沿4D 打印的最新研究成果。最后，科研人员还对AM技术的未来发展方向提出了见解：(ⅰ)从三维打印发展到多维打印；(ⅱ)从平面切片过渡到曲面切片再到编织切片；(ⅲ)从点-线-片-卷打印提高成型效率；（ⅳ）由单一材料向多材料AM转变；（ⅴ）从宏观-微观-微观结构的多尺度方向发展；（ⅵ）将材料制备与成形集成相结合；（ⅶ）从小批量生产向大批量生产拓展。增材制造；快速制造中心；高性能材料；先进加工技术；软件和设备；高性能产品；典型应用华中科技大学材料科学与工程学院快速制造中心（RMC）隶属于材料成形与模具技术国家重点实验室。目前，RMC拥有多个省部级以上科研平台，如数字化材料加工技术与装备国家地方联合工程实验室（湖北）、科技部快速成型技术生产力促进中心（湖北）、AM用陶瓷材料教育部工程研究中心、湖北省先进加工技术与装备工程技术研究中心、湖北省先进加工技术与装备工程实验室、湖北省AM技术国际科技合作基地等。此外，RMC还是中国有色金属学会 AM分会和中国材料研究学会AM材料分会理事长单位。RMC先后获得教育部创新团队、湖北省“双百计划”自主创新团队、湖北省首批自然科学基金创新群体、华中科技大学首届优秀研究生导师团队等荣誉称号。RMC自1991年开始从事AM研究，是中国最早、最具实力的AM研究团队之一。研究中心先后承担了国家重点研发计划、国家科技重大专项（02、04）、航空发动机与燃气轮机重大专项、国家重点科技支撑计划、国家自然科学基金重大/重点项目、欧盟地平线2020计划、第七框架计划、政府间科技创新国际合作、国家高技术研究发展计划（863计划）、国际合作项目等100余项省部级项目。经过长期对高性能高分子、金属、陶瓷AM材料的制备与加工技术的系统研究，RMC取得了一系列具有自主知识产权的成果并实现了产业化，广泛应用于新型产品的创新研发和老旧产业的转型升级。主要研发进展如下：聚合物及其复合材料广泛应用于航空航天等领域，其关键部件的性能要求往往非常苛刻。研究中心提出并开发了几种高性能高分子材料及相应的AM设备：(1)尼龙复合粉末和长丝，采用多材料工艺和设备；(2)聚醚醚酮（PEEK）粉末，采用独立的高温控制激光AM工艺和设备；(3)八自由度（DoF）连续碳纤维增强树脂基复合材料激光AM工艺和设备。本研究的主要成果如下：开发了柔性链块设计方法、溶剂沉淀技术和蒸馏冷却装置来制备尼龙粉末（图1(a-b)）。为制备长丝，开发了掺杂设计方法、原位反应制备技术和双螺旋风冷设备（图1(c-d)）。基于上述方法，一系列用于AM的尼龙及其复合材料已经开发出来并实现了工业化生产[1]。
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图1.（a）尼龙复合粉末的溶剂沉淀制备方法；（b）蒸馏冷却装置示意图；（c）尼龙复合长丝的原位反应挤出制备方法；（d）双螺旋风冷设备示意图[1]。
针对尼龙复合材料粉末开发了一种多材料粉末床激光AM工艺和设备（图2（a-c））。使用多材料粉末吸粉和进粉装置可实现不同材料的粉末给粉和回收。通过控制振动频率，可以实时调整粉末进粉量和速度。不同粉末之间互不干扰，实现各种粉末的层内增材制造[2]。
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图2.（a）粉末吸粉和进料装置示意图；（b）AM过程中粉末吸粉和进料操作；（c）多材料粉末床激光AM设备[2]。
利用上述尼龙复合材料、AM工艺和设备制造了火箭箭体解锁装置和送风口盖的防护板部件（图3）。与采用传统加工方法制造的金属部件相比，开发周期缩短了80%，重量减轻60%，材料减少50%，综合成本降低20%。
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图3.火箭箭体解锁装置防护板组件的典型应用。
为制备适用于LPBF的PEEK粉末，提出了一种高温红外辐射方法。该方法可以满足加工窗口、高温流动性和体积密度等关键技术指标的要求，从而确保整个高温成型过程的连续稳定性（图4(d-f)）。制备的粉末整体形态规整，加工窗口为27.3°C，体积密度为0.37±0.01
g/cm3[3]。
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图4.(a)第一代LPBF设备HUST HK PK125和(b)第二代大平台LPBF设备 HUST HK PK350；(c)独立控温的LPBF设备框架示意图；(d)聚醚醚酮粉末的微观结构形貌；(e)聚醚醚酮粉末的打印过程；(f)聚醚醚酮粉末的差示扫描量热仪（DSC）热图及其烧结窗口[[3],[4]]。
RMC已经成功开发了第一代独立温控的LPBF设备HUST
HK PK125，其预热温度可达400 ℃，制作平台为125mm×125mm（如图4(a)所示）。随后，第二代大平台LPBF设备 HUST HK PK350 诞生，其制作平台为350mm×350mm（如图4(b)所示）。针对PEEK高温预热粉末床加工的特殊条件，采用了粉末进料室和加工室独立间隔的设计（图4(c)）。这种设计实现了粉末输送和加工操作的独立预热和均匀温度场控制，设备成型温度可覆盖大多数高性能特种工程塑料，包括PEEK[4]。科研人员揭示了PEEK在LPBF工艺中的周期性等温/非等温结晶过程，阐明了各种结晶动力学对PEEK力学性能的影响（图5）。与非等温结晶相比，等温结晶的PEEK成分的c轴苯环亚基更膨大，晶粒尺寸大，垂直于（110）和（200）晶面，因此具有优异的力学性能[5]。
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图5.(a)LPBF工艺中涉及的周期性等温/非等温结晶动力学；(b)PEEK成分的典型层状结晶度及其与晶格结构的相关性；(c)等温条件下PEEK热流随时间的变化曲线；(d)PEEK成分力学性能的变化；(e)不同预热温度下PEEK的晶粒尺寸[5]。
设计了一种包含三重周期性最小表面（TPMS）晶格结构的PEEK椎间融合器，提供定制的三维孔隙率和力学性能（图6）；（图7）。
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图6.（a）TPMS晶格表面PEEK椎间融合器示意图；（b）多孔晶格椎间融合器与标准融合器的应力-应变曲线比较；（c）抗压性能与晶格表面积的相关性；（d）多孔晶格椎间融合器的应力分布等值线图[6]。
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图7.典型临床应用案例。
RMC开发了一套用于连续碳纤维增强复合材料长丝（CFRTPC）的RLAM系统，其工作台尺寸为800mm×800mm。(图8（a-b））。该方法使用连续纤维预浸长丝（直径0.4-1.0毫米）作为原材料。使用激光束将预浸长丝加热至半熔融状态，然后施加压力将长丝压平成条状（图8（c））。该技术结合了激光辅助轧制加固系统和机器人系统的优点，实现了连续纤维复合材料长丝的层间加固和大型复杂部件的高性能AM[7]。
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图8.(a)RLAM激光辅助/滚压增强成形原理示意图；(b)RLAM设备和打印工艺；(c)从CAD模型到部件打印：RLAM软件、硬件和控制系统的集成框架[7]。
利用RMC对自主研发的RLAM成型工艺进行了系统研究。图9(a)显示了通过RLAM 提高CCFRC 力学性能的机理。激光束部分作用于预浸料长丝，部分作用于成型部件的表面。这种双重效应促进了相邻层之间树脂分子链末端的渗透。随后，半熔化的预浸长丝在辊筒施加的压力下被压平成条状，并与成型部件粘合在一起。成型压力的增加增强了层与相邻纤维丝之间的浸渍效果，从而最大限度地减少了上下两层的孔隙率。成型组件具有很强的界面性能，表现出包含大量剪切纤维的脆性断裂模式，并限制纤维拉出以抑制裂纹的快速扩展。这种机制可使组件的外部应力有效地通过树脂基体传递到连续碳纤维，从而显著提高复合材料的力学性能。如图9(b)所示，在打印头绕Z轴旋转过程中微调偏航轴距，可以纠正连续纤维挤出力造成的实际成型路径偏差，确定不同角度角路径的最佳偏航轴距，并在打印过程中动态优化节点和角路径的精度。由于激光辅助/滚压加固技术的有利影响，RLAM成形部件的孔隙率（0.19%）接近热压罐的孔隙率，充分挖掘了CCFRC的力学性能潜力[8]（图9(c)）。
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图9. (a)RLAM增强CCFRC力学性能的机理示意图；(b)通过新偏航轴的动态位移修正连续纤维挤出力引起的成型路径偏差；(c)增材制造的CCFRC抗弯强度和孔隙率的比较[8]。
RLAM利用多自由度纤维取向设计和保形AM使打印头路径遵循自由曲面的几何形状，从而实现连续纤维束的灵活铺设，并最大限度地提高其力学性能效果[9]。为此，利用RMC开发了适合RLAM自由曲面打印的工艺规划算法。在工艺建模的基础上，对部件的CAD数字模型进行切片并填充曲面和路径（图10(a-b)）。然后使用机器人无碰撞路径生成和均匀线速度插值生成所获得的打印路径。最后，经过后处理，机器人沿着目标打印路径实现了精确、平滑和同步的姿态控制（图10（c-d））。同时，针对局部碰撞问题，RMC还进行了无干涉/过切约束的机器人姿态规划，并开发了运动仿真环境（图11(a)），提高实验安全性和研发效率。 RLAM成型的复合材料长丝保持了良好的力学性能，可用于设计和制造创新的轻质结构（图11(b)），适用于航空航天和轨道交通等行业。
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图10.RLAM自由曲面打印的工艺规划算法。
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图11.(a)RLAM 物理模型运动仿真环境和实际打印；(b)由RLAM制造的CCFRC组件。
碳化硅陶瓷基复合材料（SiC
CMC）具有优异的性能，如耐磨性、耐腐蚀性、高温稳定性、抗氧化性和低热膨胀系数。它们在航空航天、电子信息等领域发挥着重要作用。然而，由于 SiC CMC具有极高的硬度、相对较低的韧性以及对缺陷的敏感性，其烧结后加工十分困难。 因此，如何整体制造复杂的SiC CMC部件仍然是一项全球性挑战。在各行各业中，AM技术在制造复杂部件方面表现出优势。虽然AM技术已成功应用于聚合物和金属，但在陶瓷的AM制造方面仍处于起步阶段[10,11]。为此，RMC提出了一种用于复杂 SiC CMC部件的激光粉末床AM技术。通过对碳化硅陶瓷粉末材料、设备、工艺和组件性能的全面研究，科研人员开发出一种综合方法，克服与高性能复杂碳化硅陶瓷组件相关的制造挑战。本研究的主要成果如下：
基于材料成分与堆积行为协同优化的原理，科研人员通过耦合微尺度表面形貌、粒度分布和球形度，建立了致密粉末颗粒的多尺度模型（图12）。通过系统研究，科研人员开发出了一种适用于激光烧结的碳化硅-碳纤维-有机粘结剂复合粉末的性能控制批量生产方法[12]。这种方法可以定量调节激光烧结粉末的松散堆积密度和流动性。此外，科研人员还阐明了粉末特性与激光烧结预型件孔隙结构之间的内在联系，解决了高纤维负载（>5 wt%）粉末流动性差和激光成型性不理想的难题。
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图12.(a-c）SiC-有机粘结剂复合粉末；（d-f）填料模型q值为0.7、0.5 和 0.3的绿色样品的微观结构；（g-h）不同填料模型q值的粉末粒度分布及其相应的表面均匀性[12]。
4.2.碳纤维/碳化硅复合材料粉末组件的先进激光AM方法针对碳纤维/碳化硅（Cf/SiC）复合粉末组件开发了一种激光AM方法。建立了工艺参数、预制件微观结构和复合材料构件性能之间的耦合关系，揭示了预制件反应烧结后的结构演变规律和相界面形成机理[13]。碳纤维在SiC复合材料中的强化和增韧机理也得到了阐明[14]。在此基础上，获得了相对密度大于98%、弯曲强度大于250 MPa的SiC陶瓷基复合材料（图13）。![]()
图13.(a)基于激光粉末床熔融技术的碳化硅陶瓷基复合材料集成AM技术；(b)复杂结构的碳化硅部件[14]。
提出了一种适用于碳化硅粉末材料大桶光聚合（VPP）的氧化改性工艺。确定了氧化工艺参数对SiC粉末材料氧化层和浆料固化深度的影响，阐明了氧化层对光的吸收和反射的作用机理。最后实现了复杂结构SiC零件的VPP（图14）[15]。此外，科研人员还提出了对SiC 粉末材料进行Al2O3涂层改性的工艺方法，并建立了粉末参数、工艺参数和SiC陶瓷零件性能之间的耦合关系。最后，实现了高强度SiC陶瓷零件的VPP（图15）[16]。
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图14.（a-c）复杂碳化硅部件的数字模型；（d-f）通过大桶光聚合制造的复杂碳化硅部件 [15]。
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图15.(a)大桶光聚合制备SiC陶瓷的示意图；(b-d)SiC晶格结构的设计模型；(e-g)SiC晶格结构零件[16]。
复杂陶瓷部件LPBF的制造方法（图16）和设备（图17）的最大成型尺寸为1700mm×1700 mm×600mm。该设备集成了多激光和多振动扫描系统，以及大型数据处理软件。该设备解决了多激光振镜操作、大容量数据处理、绿色部件原位成型、粉末去除和后固化等难题，实现了复杂陶瓷部件的整体制造。
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图16.用于大型复杂陶瓷部件的LPBF设备原理。
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图17.大型陶瓷LPBF设备--HK C17030。
本研究通过SLS 3D打印和碳热还原技术制备了一种新型生物质衍生多孔SiCnw/SiC复合材料，用于结构功能一体化电磁波吸收（图18）。确定了碳热还原温度对多孔SiC形成的影响，并阐明了多孔SiCnw/SiC复合材料的异质界面、孔隙结构和电磁波吸收之间的内在关系。3D打印的多孔SiCnw/SiC复合材料具有高效的电磁波吸收能力，最小反射损耗为-49.01 dB，有效吸收带宽为5.1GHz。在空气中的热失重仅为0.6%，这表明它可广泛应用于恶劣环境[17]。
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图18.利用LPBF制备的SiCnw/SiC复合材料：SiCnw/SiC器件。
为了进一步提高3D打印碳化硅材料的内在吸波性能，科研人员在原始多孔碳化硅的基础上研究了分层孔结构和异质界面对碳化硅吸波性能的影响。科研人员提出了一种制造空心SiC/莫来石结构的简单策略（图19）。
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图19.LPBF制备的SiC/莫来石复合材料：（a）制备过程；（b）吸收机理；（c）吸收效率[18]。
SiC TPMS陶瓷晶格结构（CLS）是利用LPBF结合液态硅渗透（LSI）工艺制备的[19]。对相关性能优化、力学性能实验分析和有限元（FE）模拟验证进行了系统阐述和分析[20]（图20）。结果表明，SiC TPMS CLS具有较高的制造精度（小于6%）、较低的残留硅含量（6.01%）和优异的力学性能。所构建的有限元模型可以准确验证和预测SiC TPMS结构的力学和断裂行为（偏差小于20%）。此外，通过将理论模型与FE模拟相结合，还阐明了随着SiC TPMS晶格体积分数的增加，压缩断裂带的转变。这项研究为优化基于SiC的CLS的设计和增材制造提供了宝贵的理论指导。
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图20.通过LPBF和LSI工艺制造的SiC
TPMS晶格结构的力学性能和FE模拟验证[20]。
针对高超音速飞行器热端部件和保护系统成本高、生产周期长的难题，科研人员的团队提出了一种创新方法。通过利用SLS，科研人员在材料结构中引入了一维陶瓷纤维。结合专门的通道设计，这种方法可以整体制造出长度超过3米的SiC CMC隔热组件（图21）。与传统的热防护系统结构相比，这种解决方案在保持出色的抗热冲击和抗侵蚀能力的同时，还显著减轻了重量。在1650°C 的大气条件下，这种前向蒙皮的质量损失率仍低于0.05 g/m²·s。此外，在从室温到1300°C的快速热循环环境中，这种先进元件的耐用性比传统的碳化硅元件提高了300%。这一突破性成就为远程高超音速飞行器的安全性和可靠性提供了重要支持，确保了它们在极端环境下的稳定性能。
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图21.(a-b）用激光选择性烧结增材制造的热防护部件；（c-d）其耐烧蚀和抗热震性能。
晶圆舟，也被称为晶圆盒，是半导体和光伏扩散过程中必不可少的部件。其主要用途是在生产的各个阶段安全地运输和保护半导体晶片。传统上，晶圆舟是用石英制造的。然而，随着半导体和光伏领域对扩散工艺的要求越来越严格，石英晶圆舟已不再足够。为了应对这一挑战，RMC开发了一种先进的晶圆舟制造工艺，该工艺结合了激光辅助选择性烧结、前驱体渗入热解和反应性熔体渗入。这项突破性技术克服了多项工程挑战，包括高纯度材料杂质浓度的精确控制、非标准形状的几何精度以及反应熔体渗透过程中的可控成型性。由此产生的 RB-SiC硅片舟表现出卓越的性能特点：材料纯度高（>99.999%）、成本效益高（与传统方法相比降低了约80%）、复杂结构的变形最小（小于0.5%）以及高成本的无压烧结碳化硅对应物（图22）。总之，科研人员的创新晶圆舟技术代表了半导体和光伏制造领域的重大进步，确保了高纯度和成本效益。
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图22.使用激光辅助选择性烧结技术制备的（a-b）半导体和（c）光伏领域的RB-SiC元件。
未完待续......
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论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.amf.2024.200144
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