2.2 功能梯度材料3D 打印

   功能梯度材料通过有针对性地改变材料组分的空间分布, 以达到优化结构内部应力分布、满足不同部位对材料使用性能的要求, 在航天航空、医学等众多领域有巨大应用前景. 3D 打印技术是制造非均质零件特别是功能梯度材料零件的一种具有先天优势的重要方法, 能克服传统制备方法的生产效率低、梯度成分的连续性和精确性难以把握、生产成本较高等缺陷。

   美国里海大学的Liu 等利用LENS 技术制备了Ti/TiC 功能梯度材料, 其组分变化由一边的纯Ti 变化到另一边的95%的TiC. 美国康涅狄格大学的Wang 等采用多层彩色喷墨打印技术制备出Al2O3/ZrO2 功能梯度材料. 董江等采用同步送粉在铜板上激光熔覆制备了Co-Ni-Cu 梯度涂层. 华中科技大学史玉升等2006 年申请了关于一种快速制造功能梯度材料的制备方法的专利。

2.3 多尺度工艺结构一体化3D 打印

   3D 打印技术是由点到面、由面到体的堆积成形, 在获得零件宏观结构的同时, 又能控制微观组织结构, 可实现多尺度工艺结构一体化制造, 为生物组织器官制造、金属组织定向结晶组织结构制造、光子晶体制造等多个研究领域提供新途径.

   多数3D 打印技术一般需要添加工艺支撑等结构才可以制造包含悬臂、裙边等特征的制件, 为了实现对3D 制件在重量、结构强度、翘曲变形方面的控制, 也需要设计、制造特定的工艺结构. 近年来,随着3D 打印软件及控制技术的不断发展, 通过实时精确控制成形过程中的能量、气氛、温度等工艺参数, 已经可以直接制造出微观尺度的工艺结构, 实现性能、材料、结构一体化设计制造. 德国马克斯.普朗克(Max Planck) 生物物理化学研究所的Wanke 等通过研究光子带隙微观结构的激光快速成形方法, 制备出了66 和133 m 的三维网格, 这种结构可以控制材料的光学性能. 澳大利亚昆士兰大学的Sercombe 等研究了铝质零件的快速成形制造方法, 其突出特点是在铝粉成形后烧结工艺中通入氮气, 使得铝基体中形成坚硬氮化铝网架, 从而改进了材料的组织性能, 并保证了制造的自由性和零件的制造精度. 西安交通大学的李涤尘等通过控制激光金属直接成形过程环境温度等工艺参数, 可以控制零件内部组织定向结晶组织的形成。

2.4 3D 打印向多种工艺协作复合成形方向发展

   在金属激光3D 打印成形技术中, 由于激光逐层加工金属粉末材料固有的球化效应及台阶效应,即使采用目前精度最高的SLM 技术, 其3D 打印制件在表面精度、表面粗糙度等指标上距离直接应用还存在较大差距. 解决上述问题的最佳方法是将激光3D 打印技术(增材制造) 与传统的机加工技术(减材制造) 在加工过程中结合起来, 在逐层叠加成形的过程中即进行逐层的铣削或磨削加工, 这样可以避免刀具干涉效应, 成形件加工完成后无需后处理即可直接投入使用, 是目前复杂金属模具制造的最新发展趋势. 日本松浦机械制作所已经研制成功了融SLM 3D 打印工艺和切削加工于一体的加工装备LUMEX Advance-25(中文名“金属光造型复合加工机"), 已开始应用于制作家电模具, 有望使传统制作模具时间缩短一半以上. DMG Mori 最近推出的Lasertec 65 混合铣床提供了另外一种将激光3D 打印(基于涂覆技术) 与铣削加工复合成形的方法, 可以实现复杂的金属零件制造. 上述技术均要求工艺规划软件将3D 打印工艺与传统工艺相结合, 生成协同工作的加工指令并付诸实施。

未完待续；