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极端制造 | 基于激光的仿生制造

已有 967 次阅读 2024-5-29 14:43 |个人分类:极端制造|系统分类:论文交流

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作  者

李星燃、张宝玉、Timothy Jakobi、于征磊、任露泉、张志辉

机  构

吉林大学

辽宁材料实验室

新南威尔士大学

Citation

Li X R, Zhang B Y, Jakobi T, Yu Z L, Ren L Q, Zhang Z H. 2024. Laser-based bionic manufacturing. Int. J. Extrem. Manuf6 042003.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad3f59

文章导读

生物体的“自我制造”能力为设计新一代结构材料提供了宝贵的灵感来源,并推动着现代材料科学与工程的范式转变。然而,生物的复杂结构和多功能集成优化远远超出了当前人工设计和制造技术的能力,迫切需要新的制造方法来实现生物功能的高效再现。仿生制造技术不仅是对大自然绝妙设计的借鉴,也是对跨科学领域的创新探索。激光加工技术作为仿生制造中的一项关键技术,以其极高的精准度和可控性,在材料加工上展现出巨大潜力,尤其是在制备具有极端尺度的仿生结构方面。基于激光的仿生制造再现了自然界的精湛设计,如荷叶的超疏水结构,贝壳的止裂结构,以及螳螂虾尾的抗冲击结构等。这些结构通过激光加工技术得以高效而精准地复制,展示了自然界中结构与功能的完美结合。由此可见,基于激光的仿生制造在定制结构、协同制造方面显示出独特的灵活性,为开发微观精细、极端尺度、多功能集成的仿生结构提供无限可能。这不仅推动了材料科学的发展,也为工程应用带来了新的契机和挑战。未来,随着技术的不断进步,基于激光的仿生制造将进一步拓展其应用范围,开创更多前所未有的创新材料和结构体系。

近期,吉林大学工程仿生教育部重点实验室李星燃博士、张宝玉高级工程师、于征磊教授、任露泉教授、张志辉教授(通讯作者)和新南威尔士大学Timothy Jakobi研究员在SCI期刊《极端制造》International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)上共同发表《Laser-based bionic manufacturing》的综述,系统地讨论了激光加工在仿生制造领域的加工原理、制造策略、潜在应用、挑战和未来发展前景,并阐明了基于激光的仿生制造的三种主要制造策略:减材制造、等材制造、增材制造。这篇综述旨在针对目前基于激光的仿生制造研究进展提供一个客观和深入的评价,并对其关键问题、局限性及其现有技术的发展前景和机遇进行了讨论。

关键词

仿生制造;激光加工;仿生微/纳米结构表面;仿生强化表面;仿生空间结构

亮  点

  • 介绍了激光加工在仿生制造领域的加工原理、制造策略及其潜在应用。

  • 从激光减材制造、激光等材制造和激光增材制造三个方面归纳总结了基于激光的仿生制造研究进展。

  •  探讨了基于激光的仿生制造的潜在挑战,并对未来的应用和发展进行了展望。

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(图文摘要)

基于激光的仿生制造:基于激光减材制造的仿生微/纳米结构表面、基于激光等材制造的仿生强化表面和基于激光增材制造的仿生空间结构。(插图)经许可使用。

研究背景

经过数百万年的自然选择,生物体在应对环境变化和生存竞争中逐步演化出独特的结构和特征。这些完美的生物结构往往成为现代科学和技术创新的灵感之源,引领人们迈向更加环保、高效的解决方案。尽管我们取得了相当大的进步,但考虑到自然系统的复杂性和多样性,寻求一种简单而通用的策略来完全模拟自然的优雅和力量仍然是一个艰巨的挑战。研究人员正不断深化对生物结构复杂性的理解,并努力研发能够最大限度地再现甚至突破自然生物功能结构的先进制造技术。图1展示了自然启发工程的关键要素,包括仿生学、生物原型设计和仿生制造。激光加工技术因其跨尺度的加工范围、多样的材料适应性以及高效快速的特点深受仿生制造研究人员的青睐。激光加工技术巧妙地整合了“自上而下”和“自下而上”的加工特点,为实现生物体的功能特性提供了一种精确、高效的方法。根据制造过程中材料质量的变化,激光制造方法可分为激光减材制造、激光等材制造和激光增材制造。仿生学与激光加工技术之间的协同作用赋予了模拟自然结构的非凡能力,证明了在制造多尺度、多材料和多功能仿生结构方面的适应性与创新性。

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图1 自然启发工程的关键要素:仿生学、生物原型设计和仿生制造。

最新进展

基于激光的仿生制造最新进展主要分为三个部分:激光减材制造、激光等材制造和激光增材制造。基于烧蚀和诱导效应的激光减材制造提供了极高的加工精度,使其在制备极端尺度的仿生微/纳米结构成为可能,例如超浸润表面、减阻表面、杀菌表面、结构色表面以及激光诱导的周期性表面结构等。激光等材制造技术则是通过在工程构件表面制备仿生强化表面(仿生耐磨表面和仿生止裂结构)显著延长了产品使用寿命。激光增材制造技术为实现极难加工的结构(如内部流道结构、多孔晶格结构以及异质材料结构)提供了最佳手段。

激光减材制造在微纳制造领域得到了广泛应用,特别是在非平衡热烧蚀领域。超短脉冲激光烧蚀材料的“无熔融”加工特性引起了极大关注。特别是,飞秒或皮秒激光器的脉宽极短,即使使用微焦耳或毫焦脉冲能量,也能在焦点处获得极高的峰值功率。对制造脆性、硬质材料或任何具有不利热特性的材料尤为有效。与光热工艺相比,超短脉冲激光可产生精度和分辨率更高的表面结构,尺寸公差可达1μm左右。图2展示了利用激光直接烧蚀法、激光诱导法和激光模板法实现仿生微/纳米结构表面的主要方法。

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图2 激光减材制造的加工原理:(a)激光直接烧蚀法,(b)激光诱导和(c)激光模板法。(插图)经许可使用。

仿生超浸润表面  合理设计微纳结构对控制表面润湿状态起着至关重要的作用。细微的微米/纳米结构(低于数十微米)可赋予制备的表面超疏水性,而亚毫米结构(高于数十微米)可调节仿生表面上水滴的形状,使表面对水滴表现出各向异性的润湿性。通过激光减材制造可实现具有超疏水/超亲水特性的特殊润湿结构表面,可对超浸润界面进行精确区域控制实现按需响应的智能仿生超浸润表面以及在极端寒冷和潮湿的环境中,具有超低冰粘附强度和卓越机械耐久性的仿生表面,如图3所示。

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图3 基于激光减材制造的仿生超浸润表面。(插图)经许可使用。

仿生减阻表面  减少阻力是减少能源消耗最直接的方法,然而,大多数有关减少阻力的研究都集中在宏观尺度上。受鲨鱼皮肤的启发,具有非光滑表面结构的生物体可以通过改变物体表面附近的流场来实现减阻。这挑战了“光滑表面是减少阻力的唯一有效手段”这一传统观念,为仿生减阻结构引入了新的视角。除了鲨鱼皮状凹槽减阻阵列外,具有超疏水性和超亲水性的复合表面可使气泡在特定区域自聚集和自组装实现减阻和承载功能(图4)。

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图4 基于激光减材制造的仿生减阻表面。(插图)经许可使用。

仿生抗菌表面  受蜻蜓翅膀、蝉翼、飞蛾眼睛和壁虎皮肤启发的抗菌仿生表面,具有规则或无序的微/纳米结构,已证明能够减少细菌粘附,甚至杀死附着的细菌。影响细菌在表面附着的一个关键因素是仿生微米/纳米结构的深度-周期纵横比。通过激光减材制造改变仿生抗菌表面的微/纳米级间距会改变细菌的接触状态,从而有效控制细菌粘附并减少生物膜的形成。当微/纳米级表面结构表现出高纵横比时,抗细菌粘附特性转化为机械触发的细菌杀灭。细菌与微米/纳米结构接触时,悬浮在微米/纳米结构之间的一些细胞膜会因拉伸而破裂,导致细菌死亡(图5)。

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图5 基于激光减材制造的仿生抗菌表面。(插图)经许可使用。

仿生结构色表面  激光制造技术的发展有力地证明了其在色彩结构制造方面的独特优势。凭借飞秒激光制造的高度灵活性,通过激光模板法制备的仿生结构色表面可以独立调整每个像素的颜色,并精确控制颜色亮度和图案。这种结构化彩色仿生表面呈现出非对称光学特性,表现为不同的“显示”和“隐形”状态。激光诱导的周期性表面结构在高效生产结构色方面显示出巨大优势。在整个激光光斑区域内,能直接制备一组周期性亚微米结构阵列,而不是单个烧蚀坑或烧蚀线(图6)。

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图6 基于激光减材制造的仿生结构色表面。(插图)经许可使用。

激光等材制造能改善微观结构,从而全面提高材料的硬度、耐磨性和耐腐蚀等性能。激光等效加工还能有效改善涂层的性能以及涂层与基体之间的结合强度。激光等材制造利用激光相变硬化、激光熔融硬化和激光冲击硬化等表面强化技术,获得异质表面结构,从而达到强化表面的目的。激光等材制造的加工原理,如图7所示。

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图7 激光等材制造的加工原理。(插图)经许可使用。

仿生耐磨表面和仿生止裂表面磨损和开裂是部件失效的主要原因,随着可变载荷的增加,磨损和开裂也会演变为疲劳失效。生物体在恶劣环境中始终保持优异的耐磨性、抗裂性和抗疲劳性,与由软硬两相组成的异质表面密不可分。具有异质结构的仿生强化表面表现出强度-韧性协同效应。激光等材制造技术可一体化制备具有形状、结构和力学等多因素耦合特性的仿生强化表面(图8)。基于激光等材制造的仿生强化表面在工程领域有着广泛的应用,尤其是在磨损严重的大型设备中,如汽车、冶金、重型机械和航空航天。

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图8 基于激光等材制造的仿生耐磨表面和仿生止裂表面。(插图)经许可使用。

激光增材制造:功能、特性和层次结构的综合优化,总能让天然材料实现远超自身的卓越性能。增材制造已迅速成为仿生制造的首选技术。增材制造突破了减材制造(去除成形)和等材制造(约束成形)的限制,实现了复杂几何形状的集成成形。仿生学提供了一种模仿自然结构的方法,而增材制造提供了设计和制造多材料、多尺度和多功能仿生结构的灵活性。根据激光与粉末相互作用的不同机制,激光增材制造主要可分为两类。这两类方法分别是以激光定向能沉积为代表的同步送粉成型方法和以激光粉末床熔融为代表的粉末床成型方法,如图9所示。

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图9 激光定向能沉积和激光粉末床熔融的技术对比。

仿生力学增强结构  多孔结构(蜂窝结构、晶格结构、蜂巢结构等)因其轻质和多功能的特性,被认为是新一代先进轻质承重系统的最佳选择(图10)。将增材制造与拓扑优化相结合,可以生产出在特定条件下具有最佳性能的轻质多孔结构。模拟螳螂虾、蜂窝等结构能显著提高轻质部件的抗冲击和能量吸收能力(图11)。

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图10 基于激光增材制造的多孔结构。

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图11 基于激光增材制造的仿生力学增强结构。

仿生异质结构  天然材料通常是具有空间异质性和可调特性的复合材料。为了获得与天然生物结构接近的特性,具有类似贻贝结构的颗粒增强复合材料被证明在抗磨损和抗变形方面非常有效。通过融合不同材料的独特性能,异质仿生结构展现出多功能性和全面性。多材料增材制造实现了“在正确的位置打印正确的材料”和“为独特的功能打印独特的结构”。一般来说,异质材料的激光增材制造策略包括直接沉积、功能梯度连接和中间层连接(图12)。

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图12 基于激光增材制造的仿生异质结构。

仿生智能结构  响应性指生物对环境刺激的本能反应。许多植物的茎、叶、果实、种子和其他器官都具有独特的结构,能够对光、声音、湿度和温度等环境条件做出自发反应。基于智能材料的增材制造可对材料进行“编程”,使其对外部刺激做出反应。这种能力赋予了材料动态特性,使其能够对周围环境的变化做出反应。受生物体自主运动的启发,可驱动材料在生物传感器、软机器人和仿生驱动等领域得到了广泛应用(图13)。

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图13 基于激光增材制造的仿生智能结构。

未来展望

基于激光的仿生制造因其强大的灵活性和广泛的材料适应性,展现出前所未有的优势。建立完善的仿生制造测试设备和评估标准是未来重要的发展方向。从选择生物原型、确定生物功能到制作仿生结构模型,标准化的评估方法将显著提高仿生制造的可靠性和可重复性。为了实现这一目标,研究人员需要构建多因素特征数据库,包括材料数据、模型数据和工艺策略等。通过开发工艺参数查询系统和成型与可成形性结果预测模型,基于数据库和经验模型进行工艺参数优化选择,可以为仿生制造提供指导方案。此外,借助人工智能和机器学习等先进技术,可以更智能、更高效地设计和优化具有复杂形态和功能的仿生结构。

先进的激光系统是仿生制造的有力工具。小光斑、高分辨率的大功率激光器的开发,进一步提高了复杂仿生结构的精度和成型能力。例如,开发具有小光斑直径和高能量密度的激光器,可以实现微纳米级结构的精确加工,从而在仿生结构的制造中获得更高的细节和功能再现。未来的激光仿生制造将是一个多学科交叉的领域,涉及机械工程、材料科学、生物学以及其他相关领域的合作。通过整合不同学科的知识和专长,可以最大限度地发挥激光仿生制造的潜力。图14展示了这种多学科整合如何促进该领域的进步,从而实现“源于自然,超越自然”的目标。通过跨学科的合作和创新,我们可以期待激光仿生制造在未来取得更多突破,开发出更高效、更环保的材料和结构体系,推动科学技术的不断进步。

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图14 基于激光的仿生制造未来前景。

作者简介

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张志辉

吉林大学

张志辉是吉林大学仿生科学与工程学院/生物与农业工程学院/工程仿生教育部重点实验室教授、博士生导师,国家高层次人才。现任国际仿生工程学会(ISBE)秘书长、吉林大学仿生科学与工程学院/生物与农业工程学院副院长,兼任ISO国际仿生学标准化技术委员会主席等职务。先后主持国家重点研发计划专项2项、国家自然科学基金项目5项、吉林省创新团队及重点攻关项目等。在表/界面科学、增材制造(3D打印)、激光制造和材料科学等领域国际权威期刊(如《Adv. Funct. Mater.》《Addit. Manuf.》《Chem. Eng. J.》《Virtual Phys. Prototy.》《Appl. Mater. Today》等)发表论文200余篇;授权美国、中国等发明专利50余件(转化7件),获国家技术发明二等奖1项。

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李星燃

吉林大学

李星燃,吉林大学工程仿生教育部重点实验室博士研究生,主要从事仿生增材制造、异质金属材料增材制造研究。目前以第一作者/共同第一作者在《Virtual Phys Prototy》《J Mater Sci Technol》《Additive Manufacturing Frontiers》《J Mater Res Technol》等国际学术期刊上发表SCI论文10余篇,其中影响因子10以上3篇,申请发明专利4项。

关于期刊 

International Journal of Extreme Manufacturing (中文《极端制造》),简称IJEM,致力于发表极端制造领域相关的高质量最新研究成果。自2019年创刊至今,期刊陆续被SCIE、EI、Scopus等20余个国际数据库收录。2023年JCR最新影响因子14.7,位列工程/制造学科领域第一中国科学院分区工程技术1区。

⬆️ 期刊宗旨和栏目(点击阅读详情)

期刊网址:

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

期刊投稿:

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

作者福利

• 钻石开放获取,免收作者版面费

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微信号|IJEM-Editor

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