激光增材制造技术的研究进展

摘要：随着增材制造技术的发展，增材制造技术已经广泛地应用在社会的各个领域。研究几种与纳米技术相结合的增材制造方法的进展，主要集中在金属基纳米复合材料的激光增材制备方面。

关键词：激光;增材制造;纳米颗粒;力学性能;复合材料

中图分类号：TG176文献标识码：A

激光增材制造对于直接制造满足航空航天、国防、汽车和生物医学工业领域要求的功能性金属工具和部件具有重要意义[1]。用于纳米复合材料制造的典型增材制造工艺包括三维打印、立体光刻、熔融沉积建模等。在这些增材制造工艺中，激光增材制造能够直接从金属粉末中制备出具有复杂三维几何形状的金属构件。

1 三维打印（3DP）

三维打印是在粉末床表面撒上薄薄的粉末，聚合物黏合剂选择性地喷射到要建造物体的粉末上，粉末层下面的活塞可以精确地降低该部分，以便下一个新层可以铺在上一层的顶部。黏合剂再次按照预先设计的模式选择性地喷射到粉末上逐层重复该过程，直到零件制造完成。

Bai等人在水基黏结剂中加入纳米银，在三维打印过程中，悬浮液中的纳米粒子在较低的温度下烧结在一起。纳米粒子可以在烧结过程中连续提供黏结强度，与不使用纳米银悬浮液的纯部件相比，最终打印的银部件的拉伸强度更高。纳米银悬浮部件与纯黏合剂三维打印部件相比收缩性小、变形小、延展性高。Czyzewski等人通过三维打印技术制造的包含碳纳米纤维（CNF）的导电组件，将CNF添加到环氧树脂黏合剂中，以便获得成型件，三维打印处理后，其模量比普通碳纤维高很多，具有了更强的导电和导热能力[2]。

2 立体光刻（SLA）

立体光刻是使用紫外线激光来选择性固化液态可光固化聚合物。在SLA的过程中，通过扫描激光束选择性地固化安装在平台上的建筑部件的第一层。可以从CAD模型中跟踪每层的图案，在打印过程中将其转换为STL文件。一旦零件的第一层固化，平台就可以精确地降低一定量的零件，从而可以将下一个未固化的光固化聚合物层施加到上一层的顶部，以进行下一个扫描周期。逐层重复此过程，直到完成零件。

Wozniak等人开发了用于立体光刻工艺的UV固化透明SiO2纳米分散体。选择五种类型的单体（即4HBA、HEA、丙烯酸丁酯、M200和M282PEGDA），其折射率接近SiO2，以最大限度地减小范德华吸引力。制备了在不同单体中包含10%（体积）至40%（体积）的SiO2纳米粉（40—80nm）的纳米分散体，所获得的纳米分散体的黏度适合于立体光刻[3]。

3 熔融沉积建模（FDM）

熔融沉积建模是通过连续的细丝来沉积零件。沉积的材料包括聚碳酸酯（PC）、丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）、聚苯砜（PPSF）、PCABS共混物和PCISO107。

Shofner等人通過FDM制备纳米纤维增强的聚合物纳米复合材料。使用热压机将平均直径为100nm，长度为100μm的气相生长碳纤维（VGCF）与丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）共聚物混合，并进一步造粒，以制成长丝挤出原料。丝的公称直径为1.7mm。VGCFs均匀分散在基体内，与纯ABS沉积零件相比，复合材料的机械性能（例如拉伸试验、动态模量）平均提高了39%和60%。

4 选择性激光烧结（SLS）

激光束用于选择性地将热熔性粉末熔合成固体物体。激光可以从一个CAD模型中跟踪图案，并熔合图案的第一层。平台进一步精确地降低一定高度，以便可以重新应用以下第二粉末层。对后续层重复该过程直到零件完全制作完成。各种各样的粉状材料可用于包括塑料、金属、金属合金、高分子金属材料和金属组合的工艺还有陶瓷。

Kim等人研究了黏土纳米颗粒对材料热物理性能的影响，SLS加工用聚合物纳米复合粉体的力学性能。纳米复合材料的聚合物基体为纯聚酰胺6（N6），增强后的纳米颗粒为质量分数为5%的黏土纳米颗粒。加入黏土纳米颗粒后，由于增加了黏土聚合物链，烧结熔融和热结晶值增加互动。纳米复合材料的熔体流动特性表现出比纯N6更高的MFI值，说明纳米复合材料在引入纳米颗粒后表现出更高的黏度。

5 选择性激光熔化（SLM）

SLM是利用移动的高能激光加热源逐层制造零件的附加制造工艺之一。安装在平台上的薄金属粉末层被选择性地熔化，并且随后的粉末层被放置在第一层的顶部，然后再次被激光熔化，重复该过程直到对象完成。

Gu等人实验研究了原位生成的TiC纳米粒子增强TiAl基纳米复合材料的制备及微观结构表征。采用高能球磨法制备了超细粉体的纳米复合粉体。对厚度为0.15mm的纳米复合粉体进行了深加工，激光处理后形成TiAl3和Ti3AlC2。Li等人利用SLM制备了AlSi10Mg增强TiB2纳米粒子。纳米复合材料展现了良好的机械性能。

6 展望

激光增材制造技术的主要优点是能够创建传统制造工艺无法形成的复杂几何图形，从工业的角度来看，单个部件通常在不同的工厂用特殊的工具制造，然后运到装配现场。有了激光增材制造技术，零件就不需要专门的工具，可以在现场生产零件，消除了对供应链的需求，同时减少了每个部件的部件数量和装配需求。

参考文献：

[1]白亮，陈东，马乃恒，等.原位生成TiB2/6351复合材料的组织和性能[J].热加工工艺，2007，36（12）：3033.

[2]李素丽.不同金属3D打印增材制造技术对比分析[J].中国铸造装备与技术，2016（06）：68.

[3]晁艳普，齐乐华，罗俊，等.金属熔滴沉积制造中STL模型切片轮廓数据的获取与试验验证[J].中国机械工程，2009，22：27012705.

作者简介：刘晓飞（1979—），女，吉林延边人，硕士，工程师，研究方向：激光增材制造技术。