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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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增材制造技术最新进展（1）：华中科技大学快速制造中心取得的成果
增材制造技术最新进展（2）：华中科技大学快速制造中心取得的成果
接上两篇增材制造技术最新进展（1）（2）中介绍了华中科技大学材料科学与工程学院快速制造中心（RMC）；聚合物及其复合材料的设计、制备和加工技术；连续碳纤维增强树脂基复合材料的激光AM；碳化硅复合陶瓷的设计、制备和加工技术；RMC其他陶瓷材料的设计、制备和成型技术；热作模具的设计和AM技术；超材料设计和AM技术研究进展。接下来介绍多材料、多结构、多功能数据处理-规划-模拟软件；4D打印技术及结论与展望。8.多材料、多结构、多功能数据处理-规划-模拟软件传统的AM建模和数据处理由STL模型驱动，其固有的缺点是缺少内部信息。该方法仅适用于单一材料均质性和单一工艺，难以满足多材料、多结构、多功能集成AM的要求。RMC开发了一套场驱动的全生命周期AM软件，重点关注多材料、多结构和多功能集成成型（图54）。设计了一种新颖的技术系统，可在多信息集成制造的高性能部件的集成设计和制造的整个过程中处理数据，并可兼容所有主流的集成制造方法。具体发现概述如下：![]()
图54.全生命周期AM软件。
科研人员提出了一种基于场的材料-结构-工艺集成模型（图55），它将多材料、宏观微结构和多种加工能量场控制的所有信息都包含在一个模型中。材料、结构和能量场均可提供多种梯度组合，并可通过模型形状和性能模拟场驱动实现非均匀梯度设计。与传统模型相比，数据量减少了85%以上。采用场驱动非均匀梯度结构设计方法实现结构-性能保形调节，克服了单一梯度结构与性能匹配的难题[72,73]。![]()
图55.集材料、结构和工艺于一体的现场驱动模型[72,73]。
AM Master软件（图56）涵盖了从模型优化设计、支持生成、平面和曲面路径规划、加工和制造的整个过程，它还支持SLM、SLS、LOM、FDM、WAAM和其他AM方法。本文提出了一种基于网格-体积层次模型管理复杂模型的有效方法，解决在复杂部件的 AM 加工过程中优化全局支撑结构的难题。采用这种方法创建树形支撑结构可将计算效率提高10倍，并将支撑材料用量减少10%。此外，还提出了顶点-网格混合模型，解决传统软件无法处理亿级切面模型的问题，并实现对大型复杂模型的高效切分。分区切分效率提高了一到两个数量级，在更复杂的模型中效率的提高尤为明显。![]()
图56.高效数据处理算法 [74,75]。
提出了一种对能量场进行局部定量控制的工艺规划方法（图 57），以及一种基于多个场叠加的能量控制优化模型，包括部件结构特征、加工参数和传热系数场。![]()
图57.对能量场进行局部定量控制的工艺规划方法。
为模拟金属AM结构的变形，提出了与拓扑相关的固有应变方法（图58），并开发了包含块状添加剂、热处理、切割和连接等全工艺流程的AM模拟技术。此外，还开发了具有自主产权的模拟软件 iAdditive，并应用于航空航天等工程领域。![]()
图58.模拟整个金属AM工艺流程中的应力场演变。
4D打印技术是一种革命性的制造技术，它通过对材料和结构的主动设计，实现部件形状、属性和功能随时间和空间的可控变化[76,77]。它是材料科学、力学和信息技术等学科深度交叉融合的产物，为制造复杂的智能部件提供了一种有效的方法。4D打印技术处于科学进步的前沿，有望为制造技术带来重大变革，并推动高端技术和设备的新概念和新功能的发展。它具有重要的科研价值和广阔的应用前景。然而，4D打印技术也面临着一些限制，包括缺乏智能部件设计的理论基础、可打印材料种类有限、难以实现长距离可控变形、缺乏有效可靠的可控性能和功能变化技术等。针对上述问题，RMC已着手研究智能部件4D打印的各个方面。包括智能部件的设计理论和方法、新型材料和4D打印工艺，以及能够改变属性和功能的4D打印。科研人员提出了新的智能部件仿生设计方案，开发了一系列热响应和磁响应智能材料，建立了材料、工艺和性能之间的相关性，并提出了磁电组合的概念来制造磁电器件，从而通过4D打印实现压电性能和传感/发电功能的可控变化。本研究的具体成果如下：通过对蝎子拼接结构的仿生设计，实现了材料-结构-功能的一体化4D打印，在材料层面实现了传感/驱动集成（图59）。传感/驱动集成的原理涉及一种碳黑纳米粒子/聚乳酸（PLA）复合材料，这种材料具有优异的导电性和形状记忆效应。由这种材料制成的4D打印设备在加热时会发生可控的形状变化。在加热过程中，由于碳黑纳米粒子和聚乳酸之间的膨胀率不同，电子隧道效应发生变化，导致器件电阻发生变化，从而将热信号转换为电阻信号，实现温度自我感知。在形状变化过程中，拼接结构周围的碳黑纳米粒子接触并分离，导致装置内局部接触电阻发生变化。这就改变了器件的电阻，并将其变形信号转换为应变自感的电阻信号。[78]![]()
图59.具有仿生蝎子拼接结构的智能部件 [78]。
9.2.丙烯酸形状记忆聚合物的4D打印和热驱动变形RMC系统研究了一种自由基型丙烯酸树脂体系，该体系由tBA单体、1,6-己二醇二丙烯酸酯（HDDA）交联剂和2,4,6-三甲基苯甲酰基二苯基氧化膦（TPO）光引发剂组成，如图60所示。这种光敏树脂用于数字光处理（DLP）工艺，以打印由tBA/HDDA交联网络组成的无定形热固性形状记忆聚合物（SMP）。成功实现了热驱动4D打印变形。这一成果拓宽了可用于 4D 打印的材料范围[79]。![]()
图60.形状记忆聚合物的设计和制备，以及利用DLP技术和热刺激驱动的变形过程形成的形状记忆聚合物[79]。
RMC使用SLS工艺制造磁性聚合物复合材料钕铁硼/TPU部件，这种材料在磁化后具有永久磁性（图61）。将这些部件置于外部磁场中，在磁场驱动下可实现可控变形。磁性钕铁硼/热塑性聚氨酯复合材料抓手部件具有出色的柔韧性和机械强度，可在磁场下实现可调节的非接触式可控形状变化。该研究为磁力驱动的4D打印变形提供了理论和方法指导[80]。![]()
图61.通过SLS和磁铁驱动的变形过程制造磁性聚合物复合材料[80]。
9.4.可实现不同性能和功能的磁电器件4D打印的材料组合策略9.4.1.由磁性和导电材料的独立AM组装而成的磁电部件RMC采用了一种将磁性材料和导电材料相结合的新方法，即将磁性多孔结构AM与导电螺旋结构相结合，通过4D打印获得柔性磁电器件。多孔结构因其永久磁性而产生磁场，而螺旋结构（作为导电线圈）则位于该磁场中。在磁电装置的压缩/恢复周期中，通过线圈的磁通量会发生变化，从而根据法拉第电磁感应定律在两个平行板之间产生电压。增材制造部件就获得了压电特性和感知外部压力的能力。这些特性和功能并非磁性多孔结构或导电结构所固有。因此，AM部件的性能和功能会发生变化，从而实现可变的性能和功能（图62）[81]。![]()
图62.磁性和导电性复合材料AM磁电器件的工作原理[81]。
9.4.2.4D打印集成磁电结构的磁电器件，实现可变的性能和功能RMC提出了一种多材料集成SLS工艺，形成了由钕铁硼/热塑性聚氨酯磁块和热塑性聚氨酯可压缩结构组成的集成结构。通过嵌入线圈制备了磁电装置。在压缩过程中，线圈中的磁通量发生变化，从而产生感应电压。由于材料和结构设计与磁电材料的协同效应，新产生的压电特性和功能随时间发生了可控变化。该装置的输出电压与压缩应变呈正相关，与弹性模量的变化趋势相反。当体积分数为10%、单位尺寸为5毫米时，磁电装置的最大电压为7.6 mV。利用上述集成SLS工艺，磁性钕铁硼/热塑性聚氨酯鞋底和热塑性聚氨酯多孔鞋垫被4D打印出来，在缝合鞋面后，一双智能发电鞋就制作完成了。在运行过程中会产生约2V的电压，足以点亮LED灯。可控的可变发电功能使其能够为可穿戴设备供电，既节能又环保（图63）[82]。![]()
图63.SLS集成打印磁电器件，实现4D打印中的可变特性和功能[82]。
9.4.3.通过SLS和液态金属复合工艺4D打印柔性磁电器件科研人员提出了一种SLS和三维转印相结合的工艺，用于制造涂有液态金属的柔性磁电传感器。液态金属在使用SLS打印的柔性磁性钕铁硼/TPU 晶格结构表面形成保形导电网络。当晶格结构发生变形时，通过网络的磁通量会发生变化，从而产生感应电压。科研人员建立了液态金属网络的反向模型分割和求和方法，以计算理论磁通量。随后，研究了晶格结构磁化方向、体积分数、单位尺寸和整体高度对输出电压的影响。通过优化这些因素，获得了 45.6 μV的最大输出电压。对传感性能进行了测量，灵敏度高达10.9 kPa-1，最小检测压力为 0.1kPa，使用寿命超过65000次。这种复合工艺为设计灵活多样的磁电传感器提供了重要方法，使其能够感应各种外力，包括拉力、压缩力、弯曲力和扭转力。这项工作大大提高了液态金属磁电传感器的结构灵活性和设计自由度，实现了磁电一体化，推动了柔性磁电传感器制造领域的发展（图64）[83]。![]()
图64.利用SLS和液态金属三维转印技术制造磁电传感器的复合工艺，旨在实现不同的特性和功能[83]。
9.4.4.通过胃镜原位4D打印聚电解质/磁性复合材料，用于无缝线内部组织密封科研人员的团队提出利用医用胃镜原位4D打印聚电解质/磁性复合材料，用于无缝线胃穿孔封堵。科研人员选择了一种具有生物相容性和pH值敏感性的明胶/海藻酸钠油墨，该油墨与二氧化硅封装的铷铁硼（NdFeB@SiO2）磁性颗粒协同作用，可作为原位打印油墨。在外部磁场的帮助下，可使用胃镜精确定位油墨。墨水附着在胃穿孔一侧后，在胃酸中凝固并牢固地附着在胃表面。利用外部磁铁，缺损两侧凝固的墨水在外部磁铁的磁场吸引下分别相互靠近，从而实现缺损的无缝合密封。它具有有效闭合、操作简单、无创给药、促进愈合和生物相容性等优点。这是一种治疗无缝线胃肠道穿孔的有发展前景的策略，在颌面创伤和腹腔镜手术的美容缝合方面也显示出巨大的应用潜力（图65）。![]()
图65.原位4D打印聚电解质/磁性复合材料，用于无缝线缝合胃穿孔。
AM技术在制造各种高性能部件和复杂形状方面表现出突出优势，正迅速吸引越来越多的关注。近三十年来，华中科技大学材料科学与工程学院RMC在AM领域的研究和产业化方面取得了令人瞩目的成就，在国内外产生了深远的影响。在本综述中，科研人员总结了RMC在 AM领域的代表性研究成果。随后，科研人员从原料选择、打印工艺、诱导策略和潜在应用等方面探讨了前沿4D打印的最新研究成果。虽然AM技术具有创造高性能产品的潜力，但仍需付出更多努力，才能缩短当前技术能力与未来应用需求之间的差距。3D打印的结构和功能部件具有稳定的形状、特性和功能。4D打印的智能部件的形状、属性和功能可随时间和空间以可控的方式变化。随着制造思维的不断发散，AM部件逐渐变得更智能、更逼真、更有意识，从而在AM家族中出现了“5D打印”和“6D打印”，显示出从3D打印到多维打印的发展趋势（图66[84]）。![]()
图66.AM技术的发展方向 [84].
传统的AM技术是将三维模型逐层转化为基本的平面切片，遵循降维原则，属于2.5D制造。这种方法在显著简化加工设备的同时，也带来了台阶效应等挑战，需要额外的支撑结构，并降低了成型效率。利用曲面切片技术，增加了DoF的加工设备（如6自由度机械臂+2自由度定位器等）可以实现无支撑高效集成制造复杂零件，提高表面质量，符合当前的发展趋势。未来，基于连续长纤维编织制造等工艺，可以克服切片造成的层间连接强度问题。此外，还可以实现打印路径在空间的可控三维缠绕，这也是打印高性能轻质部件的重要发展趋势（图67）。![]()
图67.从平面切片到曲面切片和编织切片技术的演变示意图。
AM技术的加工速度已成为其大规模工业应用和推广的障碍。因此，发展革命性的高效AM技术是推动产业变革的重要动力和必然趋势。主要发展方向包括：(i)从传统的逐点/逐行/逐张打印到逐卷/逐块打印[85]；(ii)从传统的单激光/喷嘴打印到多激光/多喷嘴的多区域协同高效打印（图68）[77]。![]()
图68.点阵-单张-批量打印的演变[77]。
航空航天、国防、生物医学和其他高性能行业经常需要具有复杂的多组分材料和多层次宏观微观结构的零件。这些零件通常由不同成分材料的区域组成，来实现高强度、韧性、导热性和其他特定性能，同时还具有复杂的形状和轻质内部结构。未来，迫切需要推进多材料AM 技术的研究，实现材料、结构和性能特征的区域调整（图69）。![]()
图69.从单一材料到多材料AM的发展。
传统的AM部件设计大多侧重于优化力学性能，在保证力学性能的前提下实现轻量化目标，并达到节能降耗的效果。它只考虑宏观结构的尺度和形状，广泛应用于航空航天、汽车等领域。然而，高端装备对多功能部件的需求日益增长，传统的结构部件设计已无法满足功能部件的需求。基于多尺度结构和多物理场耦合的多功能结构设计逐渐发展起来。因此，未来的研究应侧重于将AM材料的微观结构和介观结构引入宏观结构拓扑设计，实现微观结构可控、介观形态可调、宏观结构约束的多尺度AM技术（图70）。![]()
图70.宏观-介观-微观结构的多尺度方向。
过去，AM技术只用于制备单一结构，而未来的发展趋势将是材料制备与成形一体化，即在结构成型过程中可以同时创造新材料。这些新材料包括纤维取向可调的纤维增强复合材料、功能梯度材料、超高温陶瓷基复合材料和高熵合金等，都是传统工艺难以制备的。与此同时，AM技术也为研发工作提供了新的可能性（图71）。![]()
图71.材料制备和成形一体化的演变。
随着技术的不断进步，速度、精度和材料范围的改进已将AM的范围从原型制造扩展到个性化产品制造。通过不断的工艺创新和简化生产工作流程，AM正逐步向大规模生产过渡。其灵活性和定制化优势使制造业能够更精确地满足市场需求，同时降低生产成本，从而推动整个制造业的数字化和可持续发展（图72）。![]()
图72.从小批量生产发展到大批量生产。
本文已完结
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论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.amf.2024.200144
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2950431724000340#cebibl1
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