深度：功能梯度增材制造综述

来源：江苏激光联盟

导读：本文介绍了对FGAM概念的最新理解，涵盖了能够生产FGAM部件的现有技术的概述，并确定了当前技术的局限性和挑战。

功能梯度增材制造(FGAM)是一种逐层制造工艺，涉及到在一个组件内逐步改变材料组织，以实现预期的功能。FGAM通过将性能驱动的功能直接嵌入材料中，实现了从外形建模到性能建模的根本性转变。FGAM可以战略性地控制复合材料的密度和孔隙率，或者可以将不同的材料组合在一起，形成无缝整体结构。本文介绍了对FGAM概念的最新理解，涵盖了能够生产FGAM部件的现有技术的概述，并确定了当前技术的局限性和挑战。本文提出了克服这些障碍的可能策略，并对未来的设计机会提出了建议。

1. 介绍和定义
功能梯度材料(fgf)是一类先进的材料，其特征是在整个体量中组成的空间变化，有助于材料性能的相应变化，符合功能要求。部件的多功能状态是通过微结构的材料配置来定制的，以满足预期的性能要求。组织级配有助于材料性能之间的平稳过渡。

(a)顶照光电探测器层结构。调制掺杂产生的二维电子和空穴储气层被~110 nm的GaAs吸收光区隔开，并分别接触。(b)器件中部沿生长方向计算的能带图显示存在较大的垂直电场，以及只能在二维空间内移动的致密电子和空穴气体。

上图显示了金属有机化学气相沉积(MOCVD)在半绝缘GaAs上生长的晶圆的层结构。在缓冲层生长后，将Al0.3Ga0.7As在57 nm处进行晶格匹配生长，并在2.5×1012 cm−2处掺杂p型三角形碳。然后，AlGaAs的间隔层与窄带隙In0.2Ga0.8As的8 nm层形成异质结。带偏移使受体掺杂物产生的空穴气体在生长方向上不运动，但载流子可以自由地在其他两个维度上移动，从而产生2DHG。A109.4-nm砷化镓层上生长InGaAs吸收光和激发产生的2 d水库与运营商,后跟一个5-nm AlGaAs间隔和56.4 nm AlGaAs n型层与Si delta-doped 6×1012厘米−2掺杂剂密度,为了产生一个二维电子气在这个界面。此外，为了进行比较，我们制作了几何相同的器件，包括单一的2DEG或2DHG层，未掺杂的常规结构，没有二维电荷储层，以及15对GaAs/AlGaAs晶圆，它们形成了830 nm波长的布拉格镜，也生长以产生共振腔增强(RCE)结构

增材制造(AM)是一种固体自由制造技术，通过在设计领域内将材料精确放置在指定位置，可以直接制造出精细的定制组件。多年来，由于可制造性的提高，AM技术已经从制造一次性原型扩展到制造全尺寸的最终用途部件。如今的AM系统的技术进步使得FGM的使用成为可能，从而产生了“功能梯度增材制造”(FGM)这一术语，它是一种逐层制造技术，涉及到在一个组件中逐步改变材料组织，以满足预期的功能。

FGAM是一种以材料为中心的制造过程，建立了从外形建模到性能建模的根本性转变。随着AM技术的发展，可以在复杂的三维分布中战略性地控制材料沉积的密度和方向性，也可以通过改变沉积密度和方向性来将各种材料组合成无缝的整体结构。FGAM可实现的潜在微观结构梯度成分可分为3种类型:(a)均匀成分内的变致密化;(b)通过渐进过渡同时结合两种或多种材料而形成的异质成分;以及(c)在异质成分中使用可变致密化的组合。

1．1. 均质成分
1.1.1 单一材料FGAM
均匀的FGAM成分通过体素方法有策略地调节空间微结构或晶格结构的形态，从而产生孔隙度或密度梯度。这种方法称为变密度FGAM。在单片各向异性复合结构中，材料物质的方向性、大小和密度浓度会导致刚度和弹性等功能偏差(图1)。

图1 多种多样的致密化FGAM。

FGAM可以是一种受生物启发的快速制造，模仿在自然界中发现的材料结构，如棕榈树的径向密度梯度，骨的海绵状小梁结构或肌肉的组织变化。不同密度的FGAM可以通过调整晶格排列和改变支柱几何形状来保持结构强度，但同时也减少了整体重量，从而实现轻量化结构。这可以在图2中举例说明，其中使用改进的3D打印机制作的3D打印混凝土，展示了棕榈树细胞结构的径向密度梯度概念。从坚固的外部到多孔核心的逐渐过渡导致了优异的强度与重量比，使混凝土更轻、更高效、更强。

图2 通过基廷模拟棕榈树的径向密度梯度变化致密化FGAM混凝土。

1.2 异构的成分
1.2.1 多材料FGAM
FGAM通过一种动态组合梯度或复杂形态的方法来解决多重材料方面的问题。阶段的几何和材料安排控制了FGAM组件的整体功能和性能。多材料FGAM寻求改善不同或不相容材料之间的界面结合(图3b)。不同的边界可以通过从分散到相互连接的第二相结构的非均匀成分过渡、离散成分参数分层分级或光滑浓度梯度去除。这样可以避免传统的多材料增材制造过程中由于材料性能的离散变化而导致的常见故障，如分层、裂纹等(图3a)。在临界位置采用不同的膨胀系数可以大大降低材料的面内应力和横向应力，同时可以改善和提高材料的残余应力分布

图3 传统的多材料增材制造与多材料FGAM。

通过融合使用动态梯度材料到另一个材料规整,打印组件可以有两种材料的最优属性(图4)。它可以过渡在体重,但其韧性,耐磨性,耐冲击或其物理、化学或生物化学或机械性能。材料的非均质混合物不再需要在其固有性质上妥协，以实现理想的成分性质。多材料FGAM还可以在小截面或预先确定的零件周围的战略位置上提供特定位置的性能。

图4 传统复合材料与FGAM复合材料的对比及结构示意图，以说明材料导热系数(....)和弹性模量(-)的变化。

图5展示了在Multi-material FGAM中，材料从一端的0%到另一端的100%之间的平滑无缝过渡。三维空间内的连续变化可以通过控制两种或更多材料在沉积和固化之前的混合比例来实现。然而，组成的变化必须由计算机程序控制。Vaezi也认为，沉积或凝固前预混合或复合的原料不应被视为多材料FGAM。

图5 两种材料之间具有连续梯度微结构的多材料FGAM。

异质成分梯度的设计可以分为4种类型:2种材料之间的过渡(图6)、3种或以上材料之间的过渡(图7)、不同位置之间的切换成分(图8)或密度和成分梯度的组合(图9)。

图6 MM FGAM(2种材料)。

图7 MM FGAM(3种材料)。

图8 切换组合。

图9 在非均匀材料中密度和成分级配的结合。

FGAM的关键设计参数包括梯度矢量的维数、几何形状和等势面的重新划分。组件的特征和功能进一步由组成中的梯度方向决定。体积梯度的设计和类型可按图10所示的1D、2D和3D进行分类，并可将材料均匀分布或通过特殊图案分布。

图10 梯度分类的类型。

2. FGAM的设计与建模
FGAM的使用要求基于三联“材料-产品-制造”方法对刀具路径进行良好的控制。FGAM的制造过程与AM工作流程相对类似，从使用CAD生成实体模型、切片、将CAD文件转换为。STL或适当的数据交换文件格式，验证STL数据，确定最佳方向，支持生成，工具路径定义，制造和后处理。然而，关键的区别在于，FGAM对材料属性和设计组件中每个体素的行为的描述和分配具有更高的优先级(图11，表1)。

图11 从设计到制造的FGAM工艺流程。

表1 FGAM的制造方法

3.材料描述的局限性
在几何信息的基础上表示材料对于单材料和多材料FGAM都具有重要意义。定义最佳材料分布函数需要广泛的材料数据知识，包括化学成分、其特征和制造约束。AM的材料选择仍然普遍受到限制。目前，对于材料相容性、性质可变、非均匀材料的混合范围没有设计指导方针，缺乏空间选择、梯度分布、过渡阶段安排等最优性质分布框架。例如，梯度的设计和过渡阶段的安排还没有完全了解，只有很少的商业软件存在，可以模拟梯度的设计，如Autodesk Monolith，这是一个基于体素的多材料3D打印建模引擎。因此，没有材料科学背景的设计师或工程师很难充分利用FGAM的潜力。

在制备高强度或低强度的梯度材料时，必须仔细测量和量化微观结构的改变所带来的材料性能的变化。T-Williams提出了两种有用的方法，利用理想指数律和材料元素“Maxels”对功能梯度构件的响应进行建模。分析的有限元方法(FEM)也可以用来显示和建议在预先确定的情况下的一组优化的元素，以提供更好的理解材料性能将如何表现(如ABAQUS)。理解FGAM产生的预测组件和实际组件之间的差异是至关重要的。由于不同材料在不同操作条件下相互作用的可变性，制造部件的化学成分及其材料特性的分布可能会偏离实际生产材料。例如，物理和技术因素，如凝固过程中溶质的宏观偏析和不良的过程控制，可以导致变化的公差和劣质零件被生产。这可以通过在构建过程中进行原位监控来减少。设计规则和方法，通过了解所需的性能混合，所需的相安排，和材料的兼容性，必须建立，以避免不良的结果。

“加工-结构-性能”关系的知识可以通过共享数据库材料性能信息目录获得。Bashayam建议，应该建立包括材料组成、功能和应用在内的信息，以帮助设计师根据其设计中的拓扑和几何变化来选择理想的材料组成。Comotti还建议将“功能-行为-结构”FBS本体应用到模型中，通过配方、合成、分析、评价、记录和重新配方等8个基本步骤计算和预测功能分级构件的行为(图12)。

图12 功能-行为-结构(FBS)框架中的8个步骤，可以实现计算FGM组件的行为。

4. 当前的FGAM软件限制
计算机辅助设计中的现代信息技术取得了进步，为3D模型提供了多种文件格式，以便与AM系统进行通信。CAD中常见的4种几何表示技术包括边界表示（B-rep）、构造实体几何（CSG）、空间分解和函数表示（F-rep）。基于B-rep和F-rep的方法表示三维形状的几何图形，而不描述部件的内部结构和材料信息，而并行表示（PR）包括基于空间分解的PR，基于构造实体几何（CSG）的PR和基于层次结构的PR描述了几何和材料。

FGAM需要一种新的计算建模方法，它包含自组织的概念。这就需要一种新的计算机辅助工程(CAE)分析方法，能够指定、建模和管理材料信息，用于局部成分控制(LCC)。必须要有一种切割、分析和制备FGAM的新方法。新的AM软件流程应该能够在FGAM模型生成过程中，以逻辑分布的方式战略性地控制物质的密度、方向性和分配。

Richards首先提出了一个计算方法使用CPPN(组成模式生产网络)编码和一个可扩展的算法使用整洁(Neuroevolution增强拓扑)嵌入功能形态和宏观性质的物理特性使用多材料FGAM通过voxel-by-voxel描述的函数其笛卡尔坐标(x,y,z)(图13a和b)。

图13 a:简单的渐变图案，通过对每个像素的x和y坐标求和生成颜色:C. b: CPPN生成的图案。上面的公式显示了用红色边框的体素的计算。(读者可参考本文的网络版，以解释本图例中有关颜色的参考资料。)

目前，将FGAM的体素模型从常见的几何格式(即STL文件)转换为体素模型需要大量的计算，并且很难实现具有高度细化细节的裁剪格。作为一种解决方案，Richard引入了另一种设计支持系统，用体积纹理映射来表示材料-几何-拓扑。体素模型是通过算法生成的。因此，必要的修改可以手动修改体素，然后编译回纹理描述，以允许在不同的尺度上进行更改。目前只有很少的软件开发可以模拟梯度设计，如Autodesk Monolith、Stratasys GrabCAD Voxel Print，这是基于体素的建模引擎，支持多材料FGAM。尽管如此，关于定义宏观性质的估计，仍然会有很多的遭遇。

AM软件过程的另一个重要元素是“切片”程序，它支持AM系统的参数化工具路径和相关命令。需要新的方法来切片、分析和制备用于制造的FGAM组件。Steuben提出了一种基于生成工具路径的切片算法，这些工具路径来源于基于启发式或基于物理的任意场。Hascoet建立了一套数学公式，用于切割四种可能的双材料梯度类型。每个类型学类都有一个相关的面向零件策略，可以为FGAM实现。Wu提出使用具有几何约束的材料重取样(MRGC)，这为切割FGAM零件提供了另一种选择。

5. 支持FGAM的潜在数据交换格式
大多数AM技术识别的标准数据格式通常是由多边形网格表示的三角面模型。STL文件和OBJ文件格式只描述表面几何形状，没有任何材料和属性信息。此外，还有几种数据交换格式——AMF (Additive Manufacturing Format)、FAV (FabricatableVoxel)、SVX (Simple Voxels)和3MF (3D Manufacturing Format)，它们可能适用于FGAM部件的生产。这些文件格式可以携带关于材料梯度和微观尺度物理特性的信息，超出了固定的几何描述。

5．1. AMF
ISO和ASTM已经认可了一种称为增材制造格式(AMF, ISO/ASTM 52915:2016)的标准格式，这是一种基于xml的格式，能够存储组成物体的颜色、材料、晶格、副本和体簇。AMF文件格式可以通过SolidWorks, Inventor, Rhino和Mesh Mixer生成。AMF为FGAM提供了一个合适的平台，包括材料规范、混合和分级材料和子结构;新材料可以定义为其他材料的组成及其孔隙率。在当前的AMF 1.2规范中，FGAM特性可以通过三种不同的形式来定义:功能表示、3D纹理或体纹理和体素表示。AMF文件包含一个临时体素节点，旨在支持基于体素的表示。虽然AMF 1.2标准中描述了所有三种表示，但每一种都可以被有效地切片或利用来支持多种功能分级制造模式。ISO/ASTM TC261/JG64委员会目前正在开展活动，利用现有的AMF 1.2实体建模特性，并使其能够用于进一步的AMF格式修订，包括但不限于FGAM。

5.2. FAV
FAV格式包含在三维空间中制造零件所需的数字信息，包括物体的外部和内部，包括其颜色、材料和通过体素的连接强度。每个体素都可以用各种属性值表示，包括颜色信息和材质信息。通过控制每个独立体素之间的关系，用户可以自由建模并有效管理复杂的内部结构和属性（图14）。FAV文件格式允许用户以集成方式无缝地设计（CAD）、分析（CAE）和检查（CAT）3D模型数据，而无需转换数据。FAV数据格式允许将体素数据用于物理模拟，例如外力引起的变形（图15）。

图14 使用FAV格式显示3D表单中3种不同类型材料(ABS材料、类橡胶材料和材料1)的体素排列的概念图。

图15 FEF系统的静态混合器和三重挤出机原理图。

5.3 SVX
SVX (Simple Voxels)是一种体素传输格式，用于携带基于体素的3D打印模型。SVX的基本格式是由一系列图像切片和manifest.xml文件组成的ZIP文件。Shapeways设计的SVX优先考虑了简单定义、易于实现和文件可扩展性的需求。其目标是转换体素，如STL文件中的三角形，但仍然能够包含材料分配、密度、RGB颜色或可用于其他变量的定制数据的信息。

5.4 MF
3D制造格式(3MF)是由3MFconsortium开发的一种基于xml的开放格式，可以用具有更丰富的外部和内部信息的标记格式来表示物理对象的描述，旨在为多AM系统实现交叉兼容。虽然它的推动是为了主流行业采用，3MF不支持固体建模(高阶表示)，如B-Rep, NURBS和STEP。

6. FGAM的AM技术
目前，并不是所有的AM技术都能够使用fgm。表2所示的当前AM方法已经成功地生产了FGAM组件。它们包括材料挤压、直接能量沉积、粉末床融合、薄板层压和PolyJet技术。

表2 参考ISO/ ASTM，支持FGM的增材制造技术及其分类。

6．1. 材料挤压

熔融沉积建模(FDM)系统能够有多个挤出机，每个携带一个材料的膏体。随后，不同的材料被送到静态混合器，制成均匀的糊状物。

各层状材料的沉积方向和丝间间隙大小是控制材料力学性能的主要制造参数。Li制作了两个形状相同的FDM模型(图16a和b)，但不同的沉积密度、取向、ABS纤维和空隙之间的粘接，以展示沿水平轴的刚度差异。

图16 单向沉积。b:各部分采用多向沉积策略。

Srivastava研究了FDM中影响功能梯度ABS零件性能的过程控制参数，包括光栅宽度、轮廓宽度、气隙和光栅角。该框架可用于不同负载条件下功能梯度FDM组件的建模和仿真。

6.2 粉床融合
使用粉末床融合方法，如选择性激光烧结(SLS)，如果使用正确的粉末输送方法，可以生产具有空间变化的机械性能的复杂部件。Chung和Das利用SLS制备了不同体积分数(0-30%)的尼龙-11复合材料功能梯度聚合物纳米复合材料结构，如图17所示。采用实验设计(DOE)方法确定了不同组分的SLS工艺参数，该方法是一种确定工艺影响因素与该工艺输出之间关系的系统方法。通过光学显微镜和透射电镜观察了纳米复合材料的密度和微观结构。然后测试了各组分的拉伸和压缩性能。这些性质随填料体积分数呈非线性变化。Trainia和Sudarmadji的实验工作也证明了SLS技术的有效应用，能够生产Ti-6Al-4V合金植入物和支架，其孔隙度与人体骨骼结构非常匹配。

图17 合规夹持器，每层7.62 毫米

Zhou等人开发了一种基于立体光刻(MIP -SL)的掩模图像投影系统，以克服单一还原SLA技术的缺点(图18)。通过安装可切换的树脂桶和微镜装置(DMD)，将掩模图像投射到树脂表面，从而系统地构建多材料组件，从而能够通过单一的构建过程使用不同的材料。

图18 基于自底向上投影的立体光刻(MIP - SL)掩模图像投影系统。

选择性激光熔化(SLM)是一种很有潜力的制备功能梯度金属构件的技术。使用多个馈线可以实现异质金属组合。Mumtaz 等利用高功率激光器制备了混合Waspaloy和氧化锆材料的FGM组件。SLM的一个特殊优势是它能够制造包含周期晶格的组件。Maskery研究了均匀梯度密度的Al-Si10-Mg晶格的几何形状与机械行为之间的关系，以及准静态载荷下FGM的破碎行为。在此基础上，建立了利用SLM制造轻量化梯度晶格结构的热处理框架。

FraunhoferIGCV也提出了原型级别连续分配和凝固两种材料在一个组件的使用多材料FGAM Copper-Chrome-Zirconia和工具钢的一部分被固化材料实现原位spot-wise没有混合前的材料过程(图19)。

图19 由Anstaett公司生产的铜-铬-氧化锆和工具钢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锥状)。

最后，利用EBM可以制备出具有良好机械性能的FGM零件。根据Gibson的说法，由于使用了升高的建造温度，ebm制造的零件具有较低的残余应力。该理论在Tan对电子束熔体Ti-6Al-4V钛合金建立厚度相关显微组织的模拟研究中得到了验证。

6.3 定向能量沉积
激光金属沉积工艺(LMD)是一种重要的直接金属沉积技术，常用于产品再制造中。定向能量沉积(DED)技术能够从一个3D CAD模型中修改、修复、加固部件或向现有的基础结构添加材料，这是其他AM技术无法实现的。基于激光的DED可用于制造具有成分梯度的金属零件，方法是根据“位置函数”来调整输送到熔池中的金属粉末的体积。例如，Carroll[2016]成功地采用了一种热力学计算建模方法，通过RPM 557激光沉积系统使用DED技术，在由304 L不锈钢逐步升级到Inconel 625的氩气气氛下生产FGM。设计的系统允许多达四种粉末添加到制造过程中，每个粉末的体积分数可以改变约1%的沉积层。图20所示的分级组合通过大约0.5 mm高的63层，由910 W YAG激光器建立，舱口角为60°。

图20 梯度合金试样示意图和照片。虚线显示了为分析而切片的位置。

6.4 表纹理
Kumar成功地利用不锈钢、铝和铜箔，通过超声固结(UC)实现了金属FGM的新发展，如图21所示。金属箔通过超声波焊接连接，使用UC机器，以20 kHz的频率机械振动焊接头(声纳极)。

图21 (左):超声固结法制备的铜箔(CU)、不锈钢(SS)和铝(Al1100和3003)梯度层金属FGM。(右):FGM试样的金相图。

6.5. 物料喷射
在所有AM技术中，PolyJet可以将最广泛的颜色和材料合并到一个单一的印刷品中。像刚性结构的柔性过模塑这样的应用可以很容易地在一张纸上实现。例如，橡胶类零件的肖氏硬度可以在27到95之间。通过其广泛的数字材料库，功能梯度复合材料零件可以具有多达82种不同的材料特性。具有独特性能的特殊材料也可用于特殊应用，如医疗和牙科应用的生物相容性。所有可能的组合都是在Objet Studio和PolyJet Studio软件中预先配置和选择的。根据图22，通过将半透明橡胶状材料Tango Plus与两种刚性不透明材料Vero magenta和Vero yellow合并，可以实现黄色到品红的颜色梯度。当颜色的强度和不透明度减弱时，分级强度增加。

图22 Stratasys展示的口感色调

6.6 当前AM技术面临的挑战
AM组件仍然容易出现较高的内部和外部缺陷，以及对公差的控制较差。由于监管有限，且对操作变量的理解薄弱，零件质量和表面光洁度标准在批次或机器类型之间可能存在很大差异。制造具有复杂内部结构的FGAM零件，并在微观结构水平上精确分布组成相，意味着FGAM必须提高层间交换材料的交付速度、精度和有效性。商业上可用的AM技术仍然主要在各向同性材料上运行，侧重于基本的几何描述，并指定单个材料来构建整个组件。对于需要高水平现场测量的FGAM工艺而言，材料表征是最重要的挑战。虽然已经建立了一个模型框架来演示可变属性梯度打印的方法，但仍然需要研究能够保证更可靠和可预测结果的程序和协议，特别是处理整个结构中具有组成相和过渡性质的材料的分布，以及以经济方式支持FGAM的材料选择、平台结构和制造速度的考虑。为了转移到功能性FGAM零件，必须开发一种新型材料输送系统。

7. 结论
本文介绍了FGAM的概念理解和从设计到制造的过程。FGAM技术为设计师和工程师提供了巨大的潜力，通过战略性地控制物质的密度和材料的混合来制造可变性质的结构。随着这一技术的成熟和应用的增加，未来的工作将集中于调整聚集物、发泡剂的比例，或使用FGAM对支架和生物墨水进行生物打印。FGAM的另一个可预见的根本性变化是使用多种刺激响应材料，在这种材料中，当受到适当的刺激触发时，制造出来的组件可以经历从一种形状到另一种形状的几何转换。FGAM可以定制4D打印组件的微观结构特性，通过战略性地控制刺激响应材料的密度和方向性，创建更复杂的几何变换。它还可以改善异质智能组合物的层压，甚至不考虑材料的活性或非活性特性。尽管FGAM在未来生产中的潜力是无限的，但我们却因缺乏全面的“材料-产品-制造”原则、指南和最佳FGAM实践标准而受到限制。尚未建立适当的方法，以便在商业或经济规模上充分发挥和开发FGAM的真正潜力。整个数字链的各个部门都需要采取一种全球性的方法来解决相关的基本问题，以鼓励FGAM的主流使用。

来源：An overview of functionally graded additive manufacturing，AdditiveManufacturing，doi.org/10.1016/j.addma.2018.06.023
参考文献：N. Oxman, S. Keating, E. Tsai，Functionally GradedRapid Prototyping，Mediated Matter Group, MIT Media Lab (2011)