仿生金屬結構的激光增材制造

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

導讀：本文簡要回顧了仿生細胞,、平板和桁架結構的激光AM的最新發(fā)展，以及用于仿生打印的激光AM材料。討論了激光AM加工仿生結構的力學性能和功能。


高性能/多功能金屬部件主要決定了航空航天、航空和汽車行業(yè)中應用的設備的使用性能,。經(jīng)過數(shù)百萬年的自然進化，生物體已開發(fā)出具有特定特性的結構,，從而為設計高性能結構以滿足現(xiàn)代工業(yè)日益增長的需求提供了靈感,。從制造角度來看，傳統(tǒng)加工技術的能力不足以制造這些復雜的結構配置,。相比之下,，激光增材制造（AM）由于其逐層沉積的優(yōu)勢，是制造復雜金屬仿生結構的有效方法,。本文簡要回顧了仿生細胞,、平板和桁架結構的激光AM的最新發(fā)展，以及用于仿生打印的激光AM材料,。討論了激光AM加工仿生結構的力學性能和功能,。此外，還概述了未來利用激光AM技術制造高性能/多功能金屬仿生結構的挑戰(zhàn),、可能的結果和方向,。

1、介紹
經(jīng)過數(shù)百萬年的自然進化,，自然界的生物已經(jīng)開發(fā)出高性能材料和結構,，以適應外部環(huán)境并管理捕食者。仿生技術可以通過學習自然優(yōu)秀的結構和材料來解決科學技術問題,。仿生結構的人工制造應遵循以下原則：（1）以需求為導向,，以滿足工程應用的性能要求，即識別自然界具有特定性能的生物體,；（2）基于從宏觀到微觀的表征方法的生物結構分析,，這樣可以理解生物結構的設計原則、材料的物理和化學機制及其與性能/功能的關系,；（3）結構建�,；虿牧显O計，即從生物結構分析或符合生物材料特性的人工材料中建立宏觀/微觀結構模型,。

增材制造（AM）,，也稱為三維打印，已被證明可有效制造具有復雜配置的組件�,，F(xiàn)代工業(yè)迫切需要高性能金屬部件,。新型結構的仿生設計和激光AM技術的使用促進了高性能金屬部件的制造。仿生結構的激光AM是結構設計,、材料選擇,、性能表征和功能實現(xiàn)的集成，如圖1所示,。對于仿生結構的激光AM過程中的材料選擇,，可用材料的范圍相對較小，主要是因為激光技術和成型質量的限制,。激光AM仿生結構的性能表征主要集中在其機械性能上,，包括其承載能力、能量吸收和抗沖擊性,。這些性質與相應的生物結構性質一致,。功能實現(xiàn)類似于特性表征，主要包括形狀變化,、保護和熱控制,。

圖1 仿生結構的激光增材制造集成了結構設計、材料選擇,、性能表征和功能實現(xiàn),。

在此，回顧了最近關于仿生結構的激光AM的研究,，以說明這種方法在創(chuàng)建高性能金屬仿生組件方面的潛在價值,。從設計、材料,、性能和功能四個方面闡述了仿生結構的激光AM過程,。此外，還討論了激光AM技術在創(chuàng)建仿生結構方面的局限性,。強調AM技術促進了仿生結構的發(fā)展,，而仿生結構的復雜性給AM技術帶來了新的挑戰(zhàn)。

2,、激光AM仿生結構設計

2.1. 細胞結構（CSs）

CSs是一種很有前途的用于高孔隙率結構的輕量且堅固的組件,。目前，CSs的兩個主要代表類別是規(guī)則細胞結構（RCS）和不規(guī)則細胞結構（ICS）,。RCS通常表現(xiàn)出節(jié)點和支柱的周期性排列,，被廣泛稱為晶格結構。生物CSs是典型的ICSs，具有獨特的優(yōu)勢,。

人工植入物的設計應盡可能類似于骨結構（圖2（a）-（c））,，以避免“應力屏蔽”效應，該效應主要由人工植入物和骨之間的彈性模量差異引起,。由于“應力屏蔽”,，應力無法在種植體和骨之間有效傳遞。骨細胞沒有受到足夠的應力刺激,，會死亡并被吸收,，從而導致人工植入物松動或斷裂。來自胼胝體屬,、藍藻屬和卵泡膜的灰蝶翅膀鱗片的微觀結構表現(xiàn)出陀螺狀納米結構特征（圖2（d）-（f））,。

圖2 不同類型的仿生細胞結構：（a–c）受骨啟發(fā)的Voronoi支架；（d–f）受蝴蝶（Lycaenid）翅膀微觀結構啟發(fā)的回轉體結構,；（g–i）靈感來源于楓香果序的輕質抗壓細胞結構,；（j–l）梯度管狀結構靈感來自挪威云杉的橫截面結構。

如圖2（g）所示,，楓香果實（通常稱為臺灣膠）由木質化骨架組成（圖2（h）-（i））,，這使果實能夠表現(xiàn)出最大的能量吸收效率、充足的生長空間和優(yōu)異的機械性能,。然而,，這種類型的CS不能通過重復排列形成大規(guī)模的細胞結構，只能以單元的形式用于工程應用,。挪威云杉（圖2（j））可以在北極生存,，并表現(xiàn)出優(yōu)異的耐寒性能，這主要歸因于其莖的中空和梯度微觀結構（圖2（k））,。挪威云杉啟發(fā)的梯度CS（圖2（l））具有承重和隔熱性能,。應用LPBF制備梯度碳納米管，并測量其導熱系數(shù),。結果表明,，從結構頂部到中心具有較大梯度的梯度CS表現(xiàn)出最佳的隔熱性能。

2.2. 平板結構

生物體的外部保護結構通常表現(xiàn)為板狀結構,，幾個單獨的板狀結構重疊形成盔甲,，提供保護和靈活性。激光AM處理的仿生板結構具有曲面的特點,，可能用于汽車,、防護裝甲和航空航天領域。

觀察到螳螂蝦telson截面的關鍵正弦?guī)缀涡螤睿▓D3（a））,。我們設計了雙向波紋板（DCP）結構,，靈感來自螳螂蝦,。進行壓縮模擬以優(yōu)化DCP結構的結構參數(shù)（波長λ和振幅A）。通過LPBF制造DCP結構,，以驗證模擬結果（圖3（b））,。結果表明，λ對力學性能的影響大于振幅A,。研究了DCP結構的三種典型變形模式（即全折疊,、過渡和整體屈曲模式）,。此外,，基于仿生DCP結構，通過LPBF設計并制造了一種新型疊加正弦波（SSW）結構,。研究了能量吸收特性,、變形模式和斷裂機制，結果表明,，與大多數(shù)報道的能量吸收結構相比,，SSW構件具有更高的壓碎力效率（CFE），達到73.06%,。使用Ti6Al4V通過LPBF產(chǎn)生仿生夾層結構（圖3（d））,。

圖3 具有平板特征的仿生結構：（a）螳螂蝦telson橫截面的波紋特征；（b） LPBF制造的雙向波紋面板組件靈感來自螳螂蝦的telson,；（c）鞘翅的宏觀結構和微觀結構,；（d） LPBF處理的elytra啟發(fā)結構組件；（e,，f）海賊骨啟發(fā)的多層S形墻結構,。

與CSs的LPBF過程相比，在板結構的LPBF過程中,，必須優(yōu)化建造方向,，并在預處理軟件中合理添加支撐結構。這是因為板結構由許多懸垂面組成,。此外,，由于激光AM過程中存在較大的熱梯度和較高的冷卻速率，在制造薄壁板結構時,，可能會發(fā)生熱應力,、殘余應力和變形。最佳激光參數(shù),，如功率,、掃描速度和掃描策略，可以有效降低殘余應力和變形,。此外,，可以進行熱處理等后處理來緩解殘余應力,。

2.3. 桁架結構

桁架結構是一種長桁架交錯連接的結構。桁架結構因其穩(wěn)定性高,、重量輕,、強度高等優(yōu)點，在衛(wèi)星,、飛機,、建筑等工程領域有著廣泛的應用。近年來,，隨著AM技術的發(fā)展,，提出并制造了具有更復雜配置的桁架結構。

甲蟲的前翅（圖4（a））不僅可以保護其身體,，還可以提高其飛行能力,。圖4（b）顯示了甲蟲前翼的圓柱管微觀結構。雙曲面的仿生形狀可以從甲蟲前翼的微觀結構中追溯（圖4（c））,。在用旋轉桁架替換雙曲面后,，獲得了仿生雙曲面桁架結構，并使用LPBF制造（圖4（d）,、（e））,。在壓縮試驗期間，應力集中從水平支柱的交點轉移到對角支柱的交點,，從而導致仿生雙曲面桁架結構的高能量吸收能力（3.45 J）,。另一種典型的桁架結構是受水蜘蛛潛水鐘啟發(fā)的網(wǎng)殼（圖4（f）-（i））[74]。曲霉Eupletella aspergillum的骨骼系統(tǒng)也被稱為維納斯花籃,，表現(xiàn)出顯著的機械魯棒性（圖4（j））,。從曲霉菌的骨骼系統(tǒng)設計了方形晶格結構（圖4（k）），并對其力學性能進行了實驗和數(shù)值研究（圖4（l））,。與傳統(tǒng)排列的晶格結構相比,，基于生物結構排列的桁架晶格結構顯著提高了力學性能。在本研究中,，證明了在不添加材料的情況下,，可以顯著提高結構的抗屈曲性能。

圖4 具有桁架特征的仿生結構：（a–e）LPBF制造的格子結構,，靈感來自甲蟲前翼的圓柱管,；（f–i）LPBF制造的網(wǎng)殼結構靈感來自蜘蛛絲的交聯(lián)結構；（j–l）三維打印晶格,，靈感來自海綿的對角增強策略,。

3、仿生結構激光AM的材料和工藝

國際標準化組織和美國材料與試驗協(xié)會列出了兩種主要的金屬材料激光AM類型,。一種是基于粉末擴散的LPBF（圖5（a））,，另一種是基于粉末噴涂的激光定向能量沉積（LDED）（圖5（b））,。在這兩種工藝中，激光被用作能量源來熔化金屬粉末并逐層制造部件,。結構的數(shù)字模型可以使用AM技術直接轉換為物理產(chǎn)品,。與傳統(tǒng)制造方法不同，AM是處理仿生復雜結構的有效方法,。目前的研究重點是LPBF,，用于制造仿生結構。

圖5 兩種主要的激光AM工藝和材料類型：（a）LPBF工藝的示意圖,；（b） LDED工藝示意圖,；（c）多孔脊柱植入裝置；（d） LPBF處理的單一Ti6Al4V材料的典型針狀微觀結構,；（e）透射電子顯微鏡顯示貽貝的貝須和貝須角質層的顆粒微觀結構,；（f） WC/Inconel 718復合材料的掃描電鏡微觀結構,；（g） Crysomallon squamiferum貝殼的宏觀照片,，以及貝殼橫截面的光學微觀結構，顯示多層結構,；（h）多層Ti6Al4V/TiB2材料的靈感來源于鱗片鐵,。

3.1. 單一材料

激光AM中使用的金屬材料包括鋁合金、Ti6Al4V合金和鎳基高溫合金,。激光AM處理的仿生結構的性能是材料特性和結構提供的性能增強的疊加,。金屬仿生組件的材料必須根據(jù)預期工程應用進行選擇。渦輪葉片用于高溫環(huán)境,，通常使用鎳基高溫合金,。由于激光AM工藝的高冷卻速率（103–106°C/s），在凝固過程中形成了細胞狀而非樹枝狀微觀結構,，從而消除了樹枝狀偏析,。Ti6Al4V合金由于其優(yōu)越的機械性能，廣泛用于航空航天部件,，如燃氣輪機,、噴氣發(fā)動機和機身部件。

通過使用不同材料的激光AM,，可以獲得各種微觀結構和機械性能,。仿生結構通常表現(xiàn)出薄壁、懸垂和獨特的曲面結構等特征,。當用于處理不同的仿生結構時,，不同的材料往往表現(xiàn)出不同的特性和性能。鈦合金的導熱系數(shù)較低,，在激光加工過程中容易導致局部熱量積聚,，從而導致結渣和應力變形等問題,。因此，在設計仿生結構時,，應考慮材料和結構的兼容性,。

仿生力學用單一材料加固3D打印結構。

3.2. 復合材料

復合材料是由兩種或兩種以上具有不同化學和物理性質的成分組成的材料,。由復合材料組成的LPBF加工仿生結構有望創(chuàng)造高性能和多功能結構,。激光AM中使用的復合材料主要包括原位增強復合材料、顆粒增強復合材料和碳材料增強復合材料,。復合材料的新型增強相微觀結構對于提高強度和韌性至關重要,。因此，為了達到與自然生物結構相匹配的性能,，在制造仿生結構時必須使用復合材料,。

在AM過程中，尤其是仿生復雜結構的LPBF過程中,，復合粉末經(jīng)常受到粉末團聚,、流動性差和粉末鋪展不均勻等問題的影響。這些問題可直接導致在激光加工過程中形成局部氣孔,、熔合不足,、裂紋和其他缺陷，這將顯著惡化仿生組件的整體性能,。因此,，材料、過程和性能控制的集成至關重要,。

仿生力學用多種材料加固3D打印結構,。

3.3. 多種材料

使用單一材料或復合材料無法完全復制生物結構的優(yōu)異性能。使用多種材料可能會導致組件在不同位置表現(xiàn)出不同的物理和化學特性,。因此,，多材料AM是完全復制生物結構特性的可行選擇。

對于LPBF處理的多層材料,，最重要的考慮因素是沉積材料是否會與之前的層結合,。由于各種材料在熔化和凝固階段的復雜相互作用，粘接由材料的特定特性決定,，這些特性由材料的熱力學演化決定,。熱膨脹系數(shù)、激光吸收系數(shù),、熔化溫度和熱導率的失配抑制了多種材料的組合,。

目前，激光AM制造部件中的缺陷是不可避免的,，導致部件的相對密度和尺寸精度較低,。根據(jù)激光AM的形成機理,，可將孔隙分為三種類型。接下來,，我們回顧了激光AM制造部件的典型微觀結構孔隙和表面宏觀缺陷,。

鎖眼孔：如圖6（a）所示，鎖眼孔是由于鎖孔塌陷而形成的,。由于輸入的能量過多,，熔池接收到足夠的能量，用于金屬蒸發(fā)和等離子體形成,。在這種情況下,，開發(fā)了增強激光吸收的蒸汽腔，從而使激光“鉆”到更深的深度,，從而形成小孔,。

圖6 激光AM產(chǎn)生的典型缺陷和難以加工的結構：（a–c）三種類型的微結構孔隙；（d–f）導致表面粗糙度的表面缺陷,；（g–i）激光AM中難以處理的結構特征示例,。

截留氣孔：粉末中預先存在的保護氣體或材料熔化過程中元素的選擇性蒸發(fā)導致截留氣孔的形成。如圖6（b）所示,。雖然合金元素在激光加工過程中從整個均勻混合的液池中排出,，但合金元素從熔池表面蒸發(fā)。決定成分變化幅度的影響因素之一是表面積體積比,。雖然高溫加速了蒸發(fā)，但也會增加熔池尺寸,，從而減少因體積增加而引起的成分變化,。因此，應估計溫度場和熔池幾何形狀,，以了解AM期間的成分變化,。

（a）DED-L（b）DED-EB（c）DED-GMA（d）PBF-L（e）超聲波增材制造（UAM）工藝和（f）粘合劑噴射工藝的示意圖。

未熔合（LOF）孔：當金屬粉末未完全熔化且熔池無法填充粉末之間的孔時,，會形成LOF孔（圖6（c））,。LOF孔隙促進凹坑的擴展和萌生，從而惡化部件的機械性能,。增加激光功率或降低掃描速度可以通過增加熔池尺寸來減少LOF孔隙,。然而，應控制激光能量密度以防止氣孔的形成,。

粘結粉末：在激光AM中,，熔池邊緣與未熔化粉末接觸，未熔化粉末部分熔化并粘附在部件表面（圖6（d））,。粘結粉末增加了激光AM制造部件的表面粗糙度,，從而降低了結構完整性,，從而降低了性能。高能輸入可以提高熔池內(nèi)的反應溫度,，從而降低熔融材料的粘度,。對于裝配部件，后處理技術（如機加工拋光,、噴砂和化學處理）可以有效去除粘結粉末并改善表面粗糙度,。

球化現(xiàn)象：LPBF中涉及的掃描軌跡分離成球的現(xiàn)象稱為球化（圖6（e））。在LPBF期間,，液相的良好潤濕和鋪展至關重要,。通常，當液相不能滲透未熔化的固體顆粒時,，會發(fā)生成球,。這可能會影響下一層的形成，這可能會降低致密化并惡化材料性能,。合理控制印刷過程中輸入的能量,，例如通過調整激光功率、掃描速度和粉末層厚度,，可以有效減少成球,。

階梯式：在LPBF期間，熱量主要通過固體傳遞,。傾斜表面的大部分區(qū)域連接到粉末而不是固體材料,。因此，由于傾角的原因,，在粉末床上傳導了一些熱量,，激光和粉末之間的相互作用導致局部過熱，從而導致超大熔池幾何形狀,，然后形成階梯狀（圖6（f））,。較小的層厚可以有效地削弱階梯效應，提高成形質量,。然而,，對于大型復雜組件，較小的層厚度意味著完成打印需要更多的時間,。因此,，需要一個合適的建筑方向來避免尖銳的建筑方向。

4,、激光AM制作的仿生結構的力學性能

4.1. 承載力

承載力通常通過靜態(tài)壓縮實驗獲得（圖7（a））,。從壓縮實驗中獲得的應力-應變曲線表明了結構的彈性模量、斷裂強度、能量吸收和其他特性,。金屬CSs的典型壓應力-應變曲線可分為三個階段：彈性,、平臺和致密化。彈性階段涉及結構的彈性變形,，其中彈性階段的斜率表示彈性模量,。壓縮過程中的平臺階段表示結構的間歇性故障。致密化階段表示通過致密化對結構的破壞,。必須研究壓縮過程中結構的應力分布（圖7（b））和變形模式,，以了解性能變化的機制。

圖7 表征仿生結構力學性能的方法：（a）靜態(tài)壓縮,；（b）應力分布的數(shù)值模擬,；（c）根據(jù)壓縮應力-應變曲線計算的能量吸收；（d）加速沖擊試驗裝置,；（e）細胞結構的沖擊力和位移與時間的關系圖,。

5.通過LPBF制造的仿生結構的功能

除了機械性能外，通過激光AM制造的一些仿生金屬部件還具有某些功能�,，F(xiàn)代工業(yè)對多功能部件（圖8（a））的需求逐漸增加,，特別是對同時具有優(yōu)異機械性能和功能的仿生組件的要求很高。在本節(jié)中,，我們回顧了仿生金屬組件的三種功能,。

圖8 通過激光AM制造的仿生結構的功能：（a）氣動控制假肢；（b）梯度管狀結構的熱控制功能,；（c）加拿大石鱉和仿生護甲的掃描電鏡,；（d）柔性集成磁電結構壓縮和恢復期間產(chǎn)生的電力；（e）三維打印自催化反應器,；（f） LPBF處理的光聚焦結構靈感來自龍蝦眼,。

5.1. 熱控制

在自然界中，許多生物表現(xiàn)出優(yōu)異的隔熱性能,，尤其是那些生活在極端溫度環(huán)境中的生物，如火山口以及南極和北極地區(qū),。腹足類軟體動物Crysomallon squamiferum生活在Kairei印度熱液噴口區(qū)域,。它的天然裝甲呈現(xiàn)出鍍鐵多層結構，可以承受高溫并提供隔熱功能,。企鵝可以承受極端寒冷,，同時禁食長達120天，這主要是因為它們的羽毛具有出色的耐熱性,。北極熊皮毛的獨特中空結構使它們能夠在極冷的北極地區(qū)生存,。分析和重建生活在極端溫度環(huán)境中的生物體的獨特生物結構，可能為開發(fā)下一代熱控制結構或材料提供新的思路。

目前,，關于熱控制部件AM的研究主要集中在結構設計和材料創(chuàng)新,。為了開發(fā)LPBF處理的仿生熱控制結構，研究了挪威云杉激發(fā)的梯度CSs的導熱性（圖8（b））,。結果表明,，在靠近頂部和底部的板上具有較大空心管和在中心具有較小空心管的梯度CS的導熱系數(shù)最低，為2.321w/（m•K）,。關于激光AM處理的熱控制材料,，陶瓷的引入有效地降低了金屬的導熱性。

5.2. 保護

護甲在自然生物中無處不在,，可以追溯到3.8億年前發(fā)現(xiàn)的板甲化石�,，F(xiàn)代生物，包括魚類,、爬行動物和哺乳動物,，都有不同的盔甲�,？�甲的主要功能是保護身體器官,。根據(jù)Islam等人，基于載荷條件,，仿生防護裝甲可分為以下四類：高速碰撞防護,、低速鈍性沖擊載荷、尖銳沖擊載荷和機動性/運動,。自然界是開發(fā)新型保護結構的巨大靈感來源,，激光AM為制造復雜的仿生保護結構提供了基礎。

5.3. 形狀改變

涉及顯示形狀變化的成形部件的3D打印技術稱為四維（4D）打印,。目前,，大多數(shù)4D打印技術都使用非金屬材料。一個典型的例子是開發(fā)彈性多基體納米復合材料,，該復合材料可以打印并拉伸到前體長度的三倍以上,。對于金屬4D打印，由于其獨特的形狀記憶效應,，NiTi是制造形狀變化部件的最有前景的材料,。此外，提出了一種材料組合概念,，用于構建四維打印組件,，包括導電和磁性組件。

除上述功能外,，還報告了可同時用作化學反應器和催化劑的三維印刷金屬集成催化系統(tǒng)（圖8（e））,。這些系統(tǒng)優(yōu)化了幾何形態(tài)以增強催化功能。此外，激光AM已用于制造能夠會聚光束的光學元件（圖8（f））,。采用LPBF技術加工了龍蝦眼激發(fā)的球形微通道組件,，研究了激光功率對致密化行為、尺寸精度和表面粗糙度的影響,。結果表明,，激光參數(shù)以及結構特征不僅影響LPBF加工部件的成形性。仿生結構通常具有多種功能和特性,。在這方面,，激光AM是制造多功能和復雜金屬仿生結構的可行方法。

6,、結論與展望

經(jīng)過數(shù)百萬年的進化,，大自然已成為開發(fā)新材料和結構的重要靈感來源�,？茖W技術問題可以通過研究自然結構和材料來解決,。激光AM已被證明是制造金屬仿生結構的有效方法。近年來,，有關仿生結構的研究,，特別是在金屬仿生部件的激光AM領域，取得了顯著進展,。

（1）應簡化仿生結構的配置,，總結數(shù)學規(guī)律。在工程領域,，廣泛應用的結構,，如蜂窩結構，通常是規(guī)則的,。我們認為,，良好的結構設計應取決于結構的規(guī)律性。生物結構由于其功能的多樣性而通常是復雜的,，并且很難確定仿生結構的構型變化規(guī)律,。

（2）將開發(fā)用于激光AM制造的仿生結構的特定材料。使用多種材料可以使組件在不同位置表現(xiàn)出不同的物理和化學特性,，從而滿足仿生結構的要求,。開發(fā)與生物材料具有相同機械性能的金屬或陶瓷粉末材料對于仿生結構的激光AM至關重要。

（3）必須進一步改進激光AM技術,，以制造更精細的仿生結構。激光光斑的大小決定了激光AM組件的最小單位,。具有較小光斑尺寸的高功率激光可以改善精密仿生結構的成形性,。此外，必須通過優(yōu)化工藝參數(shù)來減少激光AM制造的仿生元件的內(nèi)部和外部缺陷。

（4）人工智能和機器學習可以促進仿生結構的設計,。人工智能和機器學習在分析生物結構和性能之間關系方面的應用越來越多,，這將使我們了解生物結構高性能的原因。建模軟件和人工智能的結合將通過自適應模型優(yōu)化簡化仿生結構的建模,。

來源：Laser Additive Manufacturing of Bio-inspired Metallic Structures, Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers, doi.org/10.1016/j.cjmeam.2022.100013

參考文獻：Material-structure-performance integrated laser-metal additive manufacturing Science, 372 (2021), p. eabg1487; Recent progress in biomimetic additive manufacturing technology: from materials to functional structures, Adv Mater (2018), Article 1706539