王強(qiáng) 梁鴻宇 蒲永鋒 趙穎 馬芳武

（1.吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022；2.西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715）

主題詞：增材制造技術(shù) 負(fù)泊松比材料 多材料 功能梯度

1 前言

在“中國(guó)制造2025”的大背景下，增材制造技術(shù)由于具有生產(chǎn)周期短、材料利用率高、可以成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件等特點(diǎn)，而成為制造領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)，在航空航天、醫(yī)療、軍事、汽車等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，“3D打印+”的概念逐漸被更多領(lǐng)域認(rèn)可。

另一方面，負(fù)泊松比材料由于特殊的拉脹效應(yīng)，相對(duì)于傳統(tǒng)正泊松比實(shí)體結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕且具有更多優(yōu)異的性能，如緩沖吸能、隔音降噪、高效傳熱等，受到了眾多領(lǐng)域和研究學(xué)者的青睞。但受限于制造工藝，工程師的設(shè)計(jì)空間大大縮小，一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式無(wú)法加工，而簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形式也不足以滿足實(shí)際構(gòu)件的使用需求。因此，增材制造技術(shù)與負(fù)泊松比材料的深度融合，將推動(dòng)負(fù)泊松比材料在更多領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。

本文將對(duì)增材制造技術(shù)的技術(shù)、材料、應(yīng)用的發(fā)展現(xiàn)狀以及負(fù)泊松比材料的性能機(jī)理及最新研究進(jìn)行介紹，并闡述增材制造技術(shù)是如何對(duì)負(fù)泊松比材料進(jìn)行促進(jìn)和影響的。

2 增材制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)（3D Printing Technology），又名增材制造技術(shù)（Additive Manufacturing Technology，AM），屬于快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印、疊加成型的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)[1]。20世紀(jì)80年代末，由Charles Hull從立體光固化成形過程中開發(fā)出來，廣泛應(yīng)用于原型驗(yàn)證階段。相對(duì)于傳統(tǒng)加工工藝，3D打印技術(shù)可以有效地提高部件質(zhì)量和降低制造成本，它加工周期短；材料利用率高、加工成本低；適用于高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度等難加工材料的加工。經(jīng)歷了二十多年的發(fā)展，增材制造技術(shù)相繼衍生出以光固化成形技術(shù)（Stereo Lithography Apparatus，SLA）、熔融沉積成形技術(shù)(Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM)、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（Selected Laser Sintering，SLS）、疊層實(shí)體制造技術(shù)（Laminated Object Manufacturing，LOM）為代表的成熟3D打印技術(shù)，如圖1所示。

圖1 四種成熟的3D打印技術(shù)[2-5]

作為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重要驅(qū)動(dòng)力量，3D打印技術(shù)不論在成形精度上還是在材料的使用范圍上，都日趨成熟。在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上，新的3D打印成熟工藝不斷涌現(xiàn)，例如3DAPD霧化顆粒沉積技術(shù)、納米顆粒噴射（Nano Particle Jetting，NPJ）、EBM電子束熔煉等。根據(jù)打印材料的不同，在表1中進(jìn)行部分關(guān)鍵技術(shù)的簡(jiǎn)單分類。

表1 不同快速成型工藝

從表1中可以看到3D打印已實(shí)現(xiàn)在工程塑料類、金屬類、橡膠類、光敏樹脂以及陶瓷等常用材料上的成熟應(yīng)用。隨著3D打印技術(shù)與各行業(yè)的深度融合，一些新的打印材料也逐漸得到開發(fā)，例如記憶合金材料、導(dǎo)電材料、碳納米管材料。此外，2019年中建股份技術(shù)中心還自制了水泥配方，實(shí)現(xiàn)了世界首例原位3D打印雙層示范建筑。

在應(yīng)用領(lǐng)域方面，3D打印技術(shù)在全球的應(yīng)用主要在以下行業(yè)。

（1）航空航天行業(yè):航空發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件復(fù)雜、成本高并且其材料很難加工，但是3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零部件的一體化制造，大大提高了材料的利用率，同時(shí)制造出的零件質(zhì)量更輕，不僅有利于減少飛行器燃料消耗，還可以獲得更好的加速度等性能。所以使用3D打印技術(shù)制造零件模型，比傳統(tǒng)的模具制造更具有靈活性和經(jīng)濟(jì)性。如圖2為GE公司利用3D打印技術(shù)打印的LEAP燃油噴嘴。

圖2 GE公司打印的LEAP燃油噴嘴[6]

（2）機(jī)械制造行業(yè)，包括汽車行業(yè)等:3D打印技術(shù)可以應(yīng)用到整個(gè)汽車生命周期中，包括原型設(shè)計(jì)、零部件設(shè)計(jì)、汽車維修等。圖3為布加迪汽車公司3D打印的鈦合金制動(dòng)鉗。

圖3 布加迪汽車公司3D打印的鈦合金制動(dòng)鉗[7]

（3）醫(yī)療行業(yè):每個(gè)人的身體構(gòu)造都不同，當(dāng)要進(jìn)行器官移植或者修復(fù)手術(shù)的時(shí)候，必須進(jìn)行完全個(gè)性化的定制。3D打印技術(shù)可為需要器官移植的患者“量身打造”所需器官，無(wú)需擔(dān)心排異反應(yīng)。我國(guó)第三軍醫(yī)大學(xué)楊柳教授于2017年11月21日完成全球首例個(gè)性化3D打印多孔鉭金屬墊塊植入物全膝關(guān)節(jié)翻修手術(shù)，解決了臨床骨缺損修復(fù)問題。圖4為3D打印多孔鉭假體和患者術(shù)后X線片。

圖4 3D打印多孔鉭假體和患者術(shù)后X線片[8]

（4）軍事行業(yè)：737無(wú)人機(jī)模型PETRA的主要組件，包括副翼、操縱面均利用了3D打印技術(shù)。安妮斯頓陸軍基地利用3D打印技術(shù)對(duì)艾布拉姆斯坦克的燃?xì)鉁u輪進(jìn)行了修復(fù)，修復(fù)效果明顯。圖5為CRP技術(shù)公司和Hexadrone公司推出的3D打印的完全模塊化無(wú)人機(jī)，由于其具有堅(jiān)固、防水的特性因而可以在極端天氣下使用。

圖5 2018年CES上展出的3D打印無(wú)人機(jī)[9]

綜上，從3D打印的技術(shù)、材料、應(yīng)用3個(gè)方面進(jìn)行了發(fā)展現(xiàn)狀分析，可以清晰地看到，受到各行業(yè)需求的推動(dòng)，3D打印技術(shù)形式的發(fā)展千變?nèi)f化，用于打印的材料種類也與日俱增，“3D打印+”的理念逐漸被更多的行業(yè)認(rèn)可，不斷促進(jìn)3D打印快速成形技術(shù)與傳統(tǒng)制造業(yè)的深入融合[10-13]。與此同時(shí)，也為下一節(jié)主要介紹的結(jié)構(gòu)復(fù)雜但性能優(yōu)異的負(fù)泊松比材料提供了制造基礎(chǔ)以及更多的可能性。

3 負(fù)泊松比材料的研究現(xiàn)狀

泊松比是表征材料在垂直于作用力的截面的橫向變形特性的一個(gè)無(wú)量綱物理量，被法國(guó)科學(xué)家Simeon Denis Poisson提出并定義為彈性加載方向上，材料的橫向應(yīng)變和縱向應(yīng)變的比值的負(fù)數(shù)[14]，即ν=εx/εy（式中ν、εx、εy分別表示泊松比、橫向應(yīng)變和縱向應(yīng)變）。當(dāng)承受軸向拉（壓）時(shí)，傳統(tǒng)材料會(huì)在垂直于載荷方向上產(chǎn)生收縮（膨脹）的行為，此時(shí)其泊松比為正值（Positive Poisson’s Ratio，PPR），這種現(xiàn)象也剛好符合人類的直覺，現(xiàn)實(shí)生活中大多數(shù)實(shí)體材料都是如此，也包括一些多胞材料，如正六邊形蜂窩材料、圓形蜂窩材料等。而少數(shù)材料則會(huì)表現(xiàn)出相反的特性，產(chǎn)生膨脹（收縮）的行為，這時(shí)其泊松比為負(fù)值（Negative Poisson’s Ratio，NPR），這些材料被稱為負(fù)泊松比材料或者拉脹材料，如雙箭頭結(jié)構(gòu)、內(nèi)凹六邊形結(jié)構(gòu)等。此外，還有一些材料既不產(chǎn)生膨脹現(xiàn)象，也不產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，此時(shí)其泊松比為零（Zero Poisson’s Ratio，ZPR），比如空氣，圖6為二維泊松比機(jī)理。

圖6 二維泊松比機(jī)理[15]

1927年Love[16]在對(duì)黃鐵礦晶體進(jìn)行研究時(shí)，首次發(fā)現(xiàn)其具有負(fù)泊松比特性，在后面的研究中人們逐步發(fā)現(xiàn)了貓的皮膚、胚胎干細(xì)胞等更多的天然負(fù)泊松比材料。1987年Lakes[17]首次進(jìn)行了人造負(fù)泊松比材料的嘗試，在此基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量深入的研究，探究了負(fù)泊松比拉脹效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)制，并且創(chuàng)新性地提出了具有不同物理特性的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)。相比于傳統(tǒng)的正泊松比材料，負(fù)泊松比材料具有如下優(yōu)勢(shì)[18]。

（1）當(dāng)材料的泊松比接近-1時(shí)，材料的壓縮性能極好且受剪切變形影響不大；

（2）壓痕阻力、抗沖擊性能在特定的強(qiáng)度下優(yōu)于傳統(tǒng)的蜂窩結(jié)構(gòu)材料；

（3）具有更好的抗斷裂性能，且裂紋不容易延伸發(fā)展；

（4）具有曲面同向性，在受到平面外彎矩時(shí)橫向曲率與主曲率方向相同；

（5）滲透率可變，隨著受力的增加，滲透率發(fā)生變化；

（6）具有良好的吸能隔振作用，可有效降低沖擊力。

由于上述諸多優(yōu)勢(shì)，負(fù)泊松比材料具有廣闊的應(yīng)用前景，被大量地應(yīng)用于醫(yī)療、緩沖和保護(hù)裝備[19]、智能傳感器和過濾器[20]、航空航海等領(lǐng)域。例如在醫(yī)療領(lǐng)域的人工假體[21]，緩沖保護(hù)領(lǐng)域的負(fù)泊松比安全帶，由于滲透率可變的性能制造的智能過濾器，國(guó)防領(lǐng)域的負(fù)泊松比防彈衣等。

近二十年來，人們?cè)谌嗽熵?fù)泊松比結(jié)構(gòu)方面的研究又取得了很大進(jìn)展，尤其是在汽車吸能盒、防撞梁和汽車NVH方面進(jìn)行了大量的研究（圖7）。王陶[22]研究了負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性及其在商用車耐撞性優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，最后提出了一種負(fù)泊松比吸能盒，這種吸能盒相比于傳統(tǒng)的吸能盒，在不同的速度工況下具有更優(yōu)異的碰撞吸能特性。韓云龍[23]等基于傳統(tǒng)的正方形蜂窩結(jié)構(gòu)，引入更小的雙向內(nèi)凹結(jié)構(gòu)，使得動(dòng)態(tài)承載能力和能量吸收能力明顯增強(qiáng)。鄧小林[24]等研究了一種全參數(shù)化正弦蜂窩結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，正弦曲線蜂窩結(jié)構(gòu)的輕微拉脹效應(yīng)可增強(qiáng)其平面內(nèi)的能量吸收能力，相較普通的常規(guī)正六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)，具有更好的能量吸收效果；Li[25]等將正弦結(jié)構(gòu)引入傳統(tǒng)的負(fù)泊松比內(nèi)凹六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)，使能量吸收能力得到增強(qiáng)。Hou[26]等人證實(shí)在相同的沖擊位移下，內(nèi)凹六邊形結(jié)構(gòu)在能量吸收方面相比于正六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)有很大的優(yōu)勢(shì)。Ingrole[27]等人進(jìn)一步修改了內(nèi)凹六邊形的中間連接部分，得到一種增強(qiáng)型內(nèi)凹六邊形結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，與六角形蜂窩結(jié)構(gòu)相比，這種新型的內(nèi)凹六邊形結(jié)構(gòu)具有更好的力學(xué)性能。Zhang[28]等提出了一種新型的蝴蝶狀多胞蜂窩結(jié)構(gòu)，并證實(shí)了在相同的相對(duì)密度下，與圓形蜂窩結(jié)構(gòu)相比，這種新型蜂窩結(jié)構(gòu)能吸收更多的能量。Wang[29]等將內(nèi)凹六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)與星形蜂窩結(jié)構(gòu)相結(jié)合，提出了一種新型的蜂窩結(jié)構(gòu)，并研究了其面內(nèi)沖擊響應(yīng)。結(jié)果表明，在相同的胞壁厚度下，與其它2種結(jié)構(gòu)相比，這種新結(jié)構(gòu)具有良好的抗撞性能。Wang[30]等將雙箭頭結(jié)構(gòu)與星形結(jié)構(gòu)結(jié)合，提出一種具有雙平臺(tái)特性的新結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明相對(duì)于雙箭頭結(jié)構(gòu)與星形結(jié)構(gòu)，其具有更大的吸能潛力。

圖7 人造負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)（依次為[23-25]、[27-29]）

從人造負(fù)泊松比材料出現(xiàn)至今，對(duì)負(fù)泊松比材料的研究大多集中在理論分析、有限元模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證。雖然也取得了較大的進(jìn)展，但是一些性能優(yōu)異的負(fù)泊松比材料，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜難以加工，并且很多結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的負(fù)泊松比材料的強(qiáng)度難以達(dá)到要求，設(shè)計(jì)空間有限。所以盡管一些負(fù)泊松比材料在各個(gè)領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景，但是受限于制造工藝與制造精度，還不能很好地應(yīng)用于更多領(lǐng)域。

4 增材制造技術(shù)對(duì)負(fù)泊松比材料的促進(jìn)

隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，尤其是制造方式的不斷革新和制造精度的日益提高，促進(jìn)了對(duì)負(fù)泊松比材料的研究和應(yīng)用。近年來，增材制造技術(shù)的發(fā)展對(duì)負(fù)泊松比材料產(chǎn)生了一定的促進(jìn)作用，主要體現(xiàn)在4個(gè)方面。

（1）增材制造技術(shù)由于在樣件的加工過程中不涉及刀具、模具、夾具和具體的加工工序，所以生產(chǎn)周期極短，這加快了學(xué)者們對(duì)負(fù)泊松比材料的研究。Li[31]等人利用電子束熔化技術(shù)成形了Ti6Al4V三維內(nèi)凹拉脹晶格結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的樣件（圖8），并進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)，提出了該結(jié)構(gòu)的失效模式，最后通過試驗(yàn)和理論模型，得出了該結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)的泡沫結(jié)構(gòu)有更好的力學(xué)性能的結(jié)論。

圖8 EBM技術(shù)制造樣件[31]

（2）激光增材制造技術(shù)因?yàn)槌尚尉雀摺⒊尚渭阅芎枚徽J(rèn)為是目前金屬增材制造領(lǐng)域最成熟可靠的技術(shù)，也被大量地應(yīng)用于負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的成形制造，以解決傳統(tǒng)工藝制造的負(fù)泊松比材料強(qiáng)度和硬度不足的問題。Li[32]等人利用選區(qū)激光熔化技術(shù)制造了TiNi基富鈦合金的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)（圖9），并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，同時(shí)該樣件是基于金屬材料的成形件，在一定程度上解決了傳統(tǒng)材料負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)由于孔隙率大而導(dǎo)致的強(qiáng)度不足的問題。

圖9 AM技術(shù)制造樣件[32]

（3）激光增材制造技術(shù)中的金屬直接沉淀技術(shù)由于同軸送粉的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)雙材料甚至多材料的零部件成形，通過控制材料成分的比例和分布，可以獲得性能更加優(yōu)良的復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)。Wang[33]等人利用增材制造技術(shù)對(duì)雙材料的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究（圖10）。單一材料在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要在泊松比、最大體積/面積的縮減和等效楊氏模量之間做權(quán)衡，很難實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計(jì)。但是雙材料設(shè)計(jì)可以混合2種材料去創(chuàng)造任意力學(xué)性能的數(shù)字材料，解決了單一材料設(shè)計(jì)的困境，同時(shí)也證明了雙材料結(jié)構(gòu)在大的應(yīng)力水平下依舊有穩(wěn)定的負(fù)泊松比。

圖10 3D打印雙材料樣件[33]

（4）增材制造技術(shù)在負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域的應(yīng)用，除了上述3個(gè)方面，還可以通過改變材料在不同區(qū)域的密度或者結(jié)構(gòu)進(jìn)行負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的梯度設(shè)計(jì)。Liu[34]等人通過增材制造技術(shù)，結(jié)合CVT算法的控制功能，對(duì)胞元的內(nèi)部孔徑和胞壁分布進(jìn)行控制，優(yōu)化了材料的分布，最后制造出了二級(jí)隨機(jī)蜂窩結(jié)構(gòu)（圖11），并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性和優(yōu)越性。

圖11 3D打印隨機(jī)梯度樣件[34]

隨著增材制造技術(shù)由“3D”打印邁入“4D”打印時(shí)代，更多新型高效高精度的微加工技術(shù)將被引入到負(fù)泊松比材料的加工制造當(dāng)中，助力負(fù)泊松比材料的研究與發(fā)展。同時(shí)，智能材料與負(fù)泊松比材料的一體化設(shè)計(jì)也將成為可能，在加工過程中將智能材料植入負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)，使其具備可以感知外界溫度、壓力等的能力，并及時(shí)做出響應(yīng)。所以增材制造技術(shù)與負(fù)泊松比材料的融合技術(shù)，將會(huì)是一個(gè)全新的前沿學(xué)科領(lǐng)域，并且在未來會(huì)對(duì)各個(gè)行業(yè)產(chǎn)生較大的影響。

5 結(jié)論與啟示

本文從增材制造技術(shù)與負(fù)泊松比材料的發(fā)展現(xiàn)狀，分別對(duì)增材制造技術(shù)和負(fù)泊松比材料從技術(shù)、原理、發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，最后總結(jié)了增材制造技術(shù)對(duì)負(fù)泊松比材料在4個(gè)方面的影響。

雖然增材制造技術(shù)相較于傳統(tǒng)的加工技術(shù)有較多優(yōu)勢(shì)，但是由于發(fā)展時(shí)間尚短，還有很大的研究潛力。增材制造技術(shù)在微觀結(jié)構(gòu)的加工制造方面還需要進(jìn)行深入的研究；在零部件的成形精度、尺寸、表面質(zhì)量方面大多還不滿足使用要求，需要進(jìn)行二次處理等。同時(shí)，負(fù)泊松比材料由于具有良好的拉脹效應(yīng)、質(zhì)量輕、吸隔聲性能好和吸能效率高等特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量研究，但是多限于二維和三維的模型和理論的研究，距離完全投入生產(chǎn)還有很大差距。增材制造技術(shù)由于其獨(dú)特的加工特點(diǎn)，在很大程度上對(duì)負(fù)泊松比材料的發(fā)展起到了推動(dòng)作用。隨著增材制造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)負(fù)泊松比材料的研究，也將達(dá)到一個(gè)新的高度。