Лазерное аддитивное производство металлических конструкций с использованием биологического дизайна.

Технологичные и многофункциональные произведенные металлические детали в первую очередь определяют эксплуатационные характеристики оборудования, применяемого в аэрокосмической, авиационной и автомобильной промышленности. Организмы в природе разработали структуры со специфическими свойствами в течение миллионов лет естественной эволюции, тем самым вдохновив проектировщиков на использование структур, созданных природой для удовлетворения растущих потребностей современных отраслей промышленности.

 С точки зрения производства, способность традиционных технологий недостаточна для изготовления этих сложных структурных геометрий. В отличие от этого, использование лазера в аддитивном производстве (AM) является эффективным методом для изготовления сложных металлических структур с использованием биологического дизайна, благодаря его преимуществу нанесение материала слой за слоем. Здесь кратко рассматриваются последние разработки в AM с использования лазера с возможностью проектирования применяя биологический дизайн для создания сетчатых структур, пластинчатых и ферменных структур, а также материалы, используемые в AM для 3D-печати. Имитируемые организмы включают бабочку, ель обыкновенную, креветку-богомола, жука или водяного паука, которые расширяют разнообразие многофункциональных структур для аддитивного производства. Обсуждаются механические свойства и функции структур биологического дизайна, произведенных 3D-печатью. Кроме того, рассмотрим существующие проблемы, возможные результаты и направления использования аддитивного производства для изготовления технологичных и многофункциональные металлических деталей с использованием биологических структур в будущем.

1. Введение

     За миллионы лет естественной эволюции живые организмы разработали прочные материалы и структуры для выживания во внешней среде и защиты от хищников [1–3]. Например, перламутр обладает отличной прочностью и прочностными свойствами благодаря своей сложной иерархической архитектуре, похожей на кирпич или раствор [4].  Ударная поверхность быстро бьющей дактильной булавы креветок-богомолов [5], экзоскелет кузнечика [6] и надкрылья жука-фигоеда [7] демонстрируют геликоидальную микроструктурную архитектуру, которая обеспечивает высокую ударопрочность. Биомимикрия может быть использована для решения научно-технических задач путем изучения национально превосходных структур и материалов [8].  Процесс, в ходе которого искусственно создаются биологические структуры и материалы с высокими эксплуатационными характеристиками и множеством функций, имеет решающее значение. Искусственное изготовление структур биологического дизайна должно следовать принципам (1) быть ориентированным на спрос для удовлетворения требований к инженерным технологичным применениям, т.е. для идентификации организмов с конкретными характеристиками в природе; (2) анализ биологической структуры, основанный на методе характеристик от макро масштаба до микро масштаба таким образом, чтобы можно было понять принципы проектирования биологических структур, физические и химические механизмы материалов и их связь с производительностью и функциями. [2]; (3) структурное моделирование или проектирование материалов, т. е. создание макро/микро масштабной модели структуры, полученной на основе анализа биологической структуры или искусственных материалов, которые соответствуют характеристикам биологических материалов. Структуры биологического дизайна часто демонстрируют сложные структурные конфигурации, которые не могут быть изготовлены обычными производственными технологиями, тем самым значительно препятствуя развитию биомиметических исследований и их применению в технике. Поэтому аддитивное производство (AM), также известное как трехмерная 3D-печать, эффективна для изготовления компонентов со сложными конфигурациями [9–13]. Современная промышленность остро нуждается в технологичных металлоконструкциях, таких как газотурбинные двигатели [14], биомедицинские имплантаты [15], а также сплавы с большой прочностью для транспортной промышленности [16].  Биологический дизайн новой структуры и использование лазерной технологии в AM облегчают изготовление технологичных металлических компонентов. Лазерная технология для АМ с созданием структур биологического дизайна представляет собой интеграцию проектирования структуры, выбора материала, характеристики свойств и реализации функций, как показано на рис. 1. В биологическом дизайне структуры сочетают «имитацию формы» и «свойств» являются ключом, где «форма» включает в себя биологические структуры, варьирующиеся от микро- до макромасштабных структур, а «свойства» включают биологические функции или механические свойства. Мы считаем, что оптимальная конструкция структуры, биологического дизайна, упрощает регулярную структуру из сложной биологической структуры. Эта регулярная структура может стать такой же универсальной, как кубическая с торцевым центром (FCC) или кубовидная (BCC) сетчатая структура и могут быть применены к различным инженерным областям [17–21]. 

Рисунок 1. Лазерные технологии для аддитивного производства с использованием структур биологического дизайна объединяет конструкционное проектирование, выбор материала, характеристику свойств и реализацию функций [29–38].

  Например, самая классическая структура биологического дизайна сотовая структура, вдохновлена пчелиными сотами [22–25]. Благодаря своим уникальным свойствам сотовые конструкции применяются в различных областях, включая машиностроение, транспорт и архитектуру [25].  Для выбора материала в процессе лазерных технологий для AM с использованием структур биологического дизайна диапазон доступных материалов относительно невелик, в первую очередь из-за ограничений лазерной технологии и качества 3D-печати [1].  Характеристика свойств структур биологического дизайна с помощью лазерной технологии для AM в первую очередь фокусируется на их механических свойствах, включая прочность на растяжение, сжатие и изгиб, поглощение энергии и ударопрочность [26–28].  Эти свойства согласуются с соответствующими биологически созданными структурными свойствами. Функциональная реализация аналогична характеристике свойств и в первую очередь включает в себя изменение формы, защиту и терморегуляцию. В настоящем документе рассматриваются недавние исследования, касающиеся лазерного применения для АМ структур, созданных с помощью биологического дизайна, чтобы проиллюстрировать потенциальную ценность этого подхода для создания технологичных металлических компонентов на основе биологического дизайна. Мы изучаем лазерный процесс для АМ созданных структур биологического дизайна на основе четырех аспектов: дизайн, материалы, свойства и функции. Кроме того, обсуждаются возможности лазерных технологий для АМ для создания структур биологического дизайна. Мы подчеркиваем, что технология AM способствует развитию создания структур биологического дизайна, но в то же время сложности структур биологического дизайна создают новые проблемы для технологии AM.

2. Создание структур биологического дизайна с использованием лазерной технологии для AM

2.1. Ячеистые структуры (ЯС)

    ЯС представляют собой материалы с сетчатой структурой, состоящей из открытых или закрытых пор [39]. ЯС являются перспективным легким и прочным компонентом для архитектур с высокой пористостью [40–43].  В настоящее время двумя первичными репрезентативными категориями ЯС являются регулярные ячеистые структуры (РЯС) и нерегулярные ячеистые структуры (НЯС) [40, 42, 44]. НЯС обычно демонстрируют периодическое расположение узлов, стоек и широко известны как сетчатые структуры [45], такие как FCC, BCC и тройные периодические минимальные поверхностные структуры [43].  НЯС содержат беспорядочно распределенные пустоты, а форма и распределение их стоек неравномерны [46].  Биологические ЯС являются типичными НЯС и обладают уникальными преимуществами.

Рисунок 2. Различные типы биологических клеточных структур: (a–c) биомиметический костный кусок на основе Вороного, на примере кости [48 ]; (d–f) Гироидная структура, полученная из микроструктуры крыла бабочки ( Lycaenid ) [ 49 , 56 ]; (g–i) Легкая, устойчивая к сжатию ячеистая структура, полученная из инфрактесценция  Liquidambar formosana [51] ; (j–l) Градиентная трубчатая структура, полученная из поперечной структуры Норвежской ели [32]. 

 Искусственные имплантаты должны быть спроектированы максимально похожими на костную структуру (рис. 2 (а)–(с)), во избежания эффекта «защиты от напряжения», которая в первую очередь вызвана разницей в модуле упругости между искусственным имплантатом и костью [47].  Из-за «защиты от напряжения» стресс не может быть эффективно перенесен между имплантатом и костью. Остеоциты (механосенсорные клетки) не получают достаточной стрессовой стимуляции умирают, поглощаются, тем самым вызывая ослабление или разрыв искусственных имплантатов. Искусственные имплантаты, которые воспроизводят костную структуру, проявляют свойства клеточного пера, диффузии питательных веществ и биодеградации, которые аналогичны свойствам естественной кости [48].  Микроструктура крыльевых чешуек ликенидных бабочек из родов Callophrys, Cyanophrys и Thecla проявляет характеристики Гироидной наноструктуры (рис. 2 (d)–(f)). Гироидные наноструктуры избирательно отражают сегмент видимого спектра, придавая крыльям бабочки не переливающийся, матово-зеленый вид [49].  Различные механические свойства Гироидных структур были выявлены. Гироидные структуры были изготовлены с помощью лазерного порошкового синтеза (LPBF), используя лазерную технологии для AM, их свойства при сжатии были проанализированы [19].  Результаты показали, что деформация происходила слой за слоем, и что режим разрушения был хрупким переломом. Кроме того, анализ конечного элемента (FEA) показал, что напряжение сжатия было заключено в средней области Гироидной структуры. Кроме того, были исследованы свойства усталости от давления и лежащий в основе усталостный механизм Гироидных структур, с использованием 3D-печати по технологии LPBF [43].  Результаты показали, что для большинства усталостных сжимающих напряжений образцы демонстрировали полосы разрушения под углом примерно 45° вдоль диагональной поверхности. Струйная обработка может улучшить коэффициент усталости подготовленных образцов. Кроме того, анализ конечных элементов (FEA) и анализ деформации показал, что усталостные свойства могут быть значительно улучшены с помощью пескоструйной обработки, которая вызывает удаление прилипших частиц порошка и образованием нанокристаллической зоны. Кроме того, с помощью трех испытаний на изгиб [50] были исследованы изгибающие свойства и способность поглощения энергии; показано, что Гироидная структура типа Неовиуса демонстрирует более высокую жесткость и прочность на изгиб по сравнению с другими исследованными структурами. Как показано рис.2 (g), плоды Liquidambar formosana (обычно известный как Formosan gum) состоит из лигнифицированных типов клеток (рис. 2 (h)–(i)), которые позволяют плоду демонстрировать максимальную эффективность поглощения энергии, достаточное пространство для роста и отличные механические свойства [51]. Однако этот тип ячеистых структур не может образовывать крупномасштабную клеточную структуру путем повторения расположения и может использоваться только в инженерных применениях в виде единичной ячейки. Норвежская ель (рис. 2 (j)) может выживать в Арктике и проявляет отличные холодостойкие свойства, что в первую очередь объясняется полой и градиентной микроструктурой ее ствола (рис. 2 (k)) [32]. Градиент ячеистых структур, в Норвежской ели (рис. 2 (l)), обладает как несущими, так и теплоизоляционными свойствами. Технологией LPBF применилось изготовление градиентных ячеистых структур и теплопроводность была измерена. Результаты показали, что градиент ячеистых структур с большим уклоном от вершины к центру конструкции продемонстрировал оптимальные теплоизоляционные свойства. Для улучшения построения конструкций биологического дизайна во время 3D-печати для АМ, направление построения и дизайн поддержек конструкции должны быть оптимизированы [52]. 

Рисунок 3. Структуры биологического дизайна, обладающие пластинчатыми характеристиками: а) гофрированная форма поперечного сечения тельсона креветки-богомола; b) изготовленные компоненты технологией LPBF  двунаправленных гофрированных панелей, создание биологическим дизайном по аналогии с тельсоном креветок-богомолов [30]; c) макроструктура и микроструктура элитры(крылья); d) 3D-печать технологией LPBF компоненты структуры спроектированы по примеру элитры [62]; (e, f) Многослойная S-образная конструкция стен в стиле каракатицы [70].

Для лазерных процессов AM на основе порошкового слоя, таких как процесс LPBF, проектирование поддержек является критичным, потому что структура поддержек не только обеспечивает построение нависающих структур или вогнутых элементов, но и улучшает теплопроводность и предотвращает деформацию, вызванную накоплением тепла.[53]. Однако конструкции поддержек не являются конечным продуктом и должны быть удалены. Удаление конструкций поддержек занимает много времени, особенно для сложных изогнутых конструкций. Кроме того, удаление конструкции поддержек приведет к тому, что заусеницы останутся на поверхности компонента или повредит его [53]. Структурные особенности применения ячеистых структур с применением биологического дизайна, такие как косые стержни или изогнутые поверхности, поддерживаются процессом LPBF [54, 55]. Это устраняет необходимость в создании дополнительных структур поддержек при изготовлении ячеистых структур с использованием технологии LPBF.

2.2. Пластинчатые конструкции

     Внешняя защитная структура организмов обычно выглядит как пластинчатая структура, а несколько отдельных пластинчатых структур перекрываются, образуя броню, которая обеспечивает как защиту, так и гибкость [57].  К специфическим примерам относятся чешуя гигантской Арапаимы [58], кожа акулы [59], хвосты морского конька [60], тельсон креветки богомола [30, 61], надкрылья цибистера [62] и чешуя хитона [38].  3D-печать лазерной технологии для AM с использованием биологического дизайна с использованием пластинчатых структур характеризуются изогнутыми поверхностями и потенциально могут быть использованы в автомобильной, защитной бронетехнике и аэрокосмической промышленности. Стоматоподы, обычно известные как креветки-богомолы, являются эффективными дактилями для охоты и защиты. Удары дактилей креветок-богомолов могут достигать максимальной скорости 23 м/с и пиковое усилие до 1500 Н (152.957419 кг/ сила), что достаточно для уничтожения раковин крабов и моллюсков [63].  Большинство предыдущих исследований были сосредоточены на механизме прочности дактилов [ 5 , 64 , 65 ]. Однако то, что тельсон креветки-богомола может выдержать воздействие дактилей, не будучи поврежденным, как правило не рассматривается [66].  Кроме того, тельсон креветок-богомолов может защищаться от врагов сзади [67]. При ударе по тельсону креветки-богомола его поведение напоминает поведение неупругого мешка с песком, рассеивающего 69% энергии удара [66].  Наблюдалась ключевая синусоидальная геометрия поперечного сечения креветки-богомола (рис. 3 а)). Мы разработали двунаправленные гофрированные панельные (DCP) конструкции, по аналогии с тельсоном креветки-богомола [30]. Выполнено моделирование сжатия для оптимизации структурных параметров (длина волны λ и амплитуда А) двунаправленных гофрированных панелей (DCP). Структуры DCP были изготовлены по технологии LPBF для подтверждения результатов моделирования (рис. 3 (b)). Результаты показали, что влияние λ на механические свойства было больше, чем влияние амплитуды А. Исследованы три типичных режима деформации (т. е. полностью сложенный, переходный и глобально-изгибающийся) структур DCP [68].  Кроме того, на основе биологического дизайна структуры DCP была разработана и изготовлена новая наложенная синусоидальная структура (SSW) с помощью 3D-печати LPBF [69]. Были исследованы свойства поглощения энергии, режимы деформации и механизм разрушения, и результаты показали, что компоненты SSW обладали более высокой эффективностью силы раздавливания (CFE) 73,06% по сравнению с большинством зарегистрированных структур поглощения энергии. Вторичный желоб, образованный наложенными волнами, значительно деформировался в процессе сжатия, что впоследствии значительно увеличило CFE. Другой типичной структурой для биологического дизайна являются пластины сэндвич-структура, которая имитирует микроструктуру надкрылья цибистера (рис. 3 (c)) [62].  Надкрылья имеют многослойную структуру с кожей сверху и снизу, а также полым столбиком в центре. Многослойная структура, спроектированная с помощью биологического дизайна, была получена с помощью 3D-печати технологией LPBF на материале Ti6Al4V (рис. 3 (d)). Недавно Мао и др.  [70] проанализировали S-образную структуру стенки каракатицы (рис. 3 (e)). Каракатица Sepia officinalis L. обитает в глубоководных средах и может выдерживать высокое гидростатическое давление. Пористая кость каракатицы используется в качестве жесткого скелета, выдерживающего нагрузку при движении. (рис. 3 (f)). Структуры, произведенные 3D-печатью, созданные на основе биологического дизайна, демонстрируют превосходное поглощение энергии и прочность по сравнению с обычными сетчатыми и ячеистыми структурами.

    В отличие от процесса 3D-печати технологией LPBF с использованием ячеистых структур, в процессе 3D-печати технологией LPBF пластинчатых конструкций построение печати должно быть оптимизировано, а поддержки должны быть разумно добавлены в программное обеспечение для симуляции построения. Это связано с тем, что пластинчатые структуры состоят из множества нависающих граней. Кроме того, из-за больших тепловых градиентов и высоких скоростей охлаждения во время 3D-печати с использованием лазерных технологий для АМ, тепловые напряжения, остаточные напряжения и искажения, вероятно, возникнут при изготовлении пластинчатых конструкций с тонкими стенками [71].  Оптимальные параметры лазера, такие как мощность, скорость сканирования и толщина сканирования, могут эффективно снизить остаточные напряжения и искажения. Кроме того, постобработка, такая как термическая обработка, может быть выполнена для облегчения остаточного стресса. В настоящее время количество и типы пластинчатых конструкций, которые можно произвести с помощью 3D-печати лазерной технологией для АМ, ограничены; однако характеристики пластинчатых конструкций, которые могут поддерживать нагрузку на большой площади, уникальны. Мы считаем, что развитие лазерных технологий и биомимикрии будет способствовать разработке более технологичных пластинчатых структур.

2.3. Ферменные конструкции

      Ферменная конструкция представляет собой конструкцию, в которой длинные фермы расположены в шахматном порядке и соединены. Благодаря высокой устойчивости, легкому весу и высокой прочности, ферменные конструкции широко применяются в инженерных областях, таких как спутники, самолеты и архитектура. Особым классом ферменных структур является структура Кагомэ, которая первоначально была спроектирована по подобию стержнеобразной внутренней структурой костной ткани [72]. Ключевыми механическими особенностями стяжек ферменных конструкций являются сжатие и сдвиг. Кроме того, были предложены и исследованы многие другие конфигурации ферменной структуры, такие как пирамидальная, тетраэдрическая и октетная [73]. В последние годы, в связи с развитием технологии АМ, были предложены и изготовлены ферменные конструкции с более сложными конфигурациями.

     Передние крылья жука (рис. 4 (а)) могут не только защитить его тело, но и улучшить его летную способность [31]. рис.4 (b) показана цилиндрическая трубка микроструктуры переднего крыла жука. Биологический дизайн формы гиперболоида может быть прослежена по микроструктуре переднего крыла жука (рис. 4 (c)). После замены гиперболоидной поверхности вращающейся фермой была получена и изготовлена 3D-печатью технологией LPBF гиперболоидная ферменная структура (рис. 4 (d), (e)). В ходе испытаний на сжатие концентрация напряжений передается от пересечений горизонтали стойки к пересечениям диагональных стоек, что приводит к высокой способности поглощения энергии (3,45 Дж) гиперболоидной ферменной структуры, созданной биологическим дизайном. Другой типичной стропильной структурой является сетчатая оболочка, созданная по подобию ныряющим колоколом водяных пауков (рис. 4 (f)–(i)) [74].  Водяные пауки (Ar- gyroneta aquatic ) живут и охотятся в воде. Его водолазный колокол, который остается под водой, может выдерживать высокоскоростное воздействие потока воды в разных направлениях. Сшивающая структура паучьего шелка вносит свой вклад в превосходные механические свойства водолазного колокола.

Рисунок 4. Структуры созданные биологическим дизайном, обладающие ферменными характеристиками: (a–e) сетчатая структура произведённая технологией LPBF, биологический дизайн цилиндрической трубкой переднего крыла жука [31]; (f–i) Сетчатая структура оболочки произведенная технологией LPBF, вдохновленная сшивающей структурой паучьего шелка [74]; (j-l) Трехмерно напечатанная  сетка, встроенная в диагональную стратегию армирования губки [76].

 Ретику-лательные оболочки с различными диаметрами и углами наклона раскосов изготавливались с помощью технологии LPBF и их компрессионные свойства были протестированы [74, 75]. Результаты показали, что оптимальный диаметр стойки и угол наклона стойки составляли 1,25 мм и 75° соответственно. Скелетная система гексактинеллидной губки (Eu- plectella aspergillum), также известная как цветочная корзина Венеры, демонстрирует уникальную механическую прочность (рис. 4 (j)) [76].  Были спроектированы квадратные сетчатые архитектуры (рис. 4 (k)), спроектированные биологическим дизайном по подобию скелетной системой E. Aspergillum, а механические свойства были исследованы как экспериментально и численно (рис. 4 (l)). По сравнению с условно расположенной сетчатой структурой, сетчатая структура с фермой, расположенной на основе биологической структуры, значительно улучшила механические свойства. В этом исследовании было продемонстрировано, что сопротивление смятию конструкции может быть значительно улучшено без добавления материалов. Ферменные конструкции состояли из наклонных длинных стержней. Основная проблема в процессе технологии LPBF ферменных конструкций заключается в том, что диаметр стержня в собранном виде превышает проектное значение из-за нерасплавленного связующего порошка и нависающей поверхности. Нерасплавленный связующий порошок может быть удален пескоструйной обработкой, где высокоскоростные частицы песка используются для многократной струйной обработки образцов, что приводит к удалению нерасплавленного связанного порошка и образованию остаточного слоя напряжения сжатия в подповерхностной области. Остаточный сжимающий стрессовый слой может эффективно препятствовать возникновению и росту трещин [43].  Чтобы обеспечить построение нависающей поверхности, необходимо скорректировать направление построения и добавить поддержки в соответствии с программой предварительной симуляцией построения.Например, при изготовлении сетчатых оболочек, спроектированных биологическим дизайном по подобию водяных пауков, изготовленных технологией LPBF нижние поверхности сетчатых оболочек находятся под углом 45° к подложке, а между подложкой и компонентами добавляется множество опорных структур (рис. 4 (i)).

3. Материалы и процесс лазерной технологии для АМ структур биологического дизайна.

       Международная организация по стандартизации и Американское общество по испытаниям и материалам (ASTM) перечисляют два основных типа лазера для AM с использованием металлических материалов. [77]  

Рисунок 5. Два основных лазерных процесса для AM и типы материалов: (a) Схема иллюстрации процесса LPBF [107] ; b) схематическая иллюстрация процесса LDED [108] ; c) пористый компонент для имплантации позвоночника [109] ; d) типичная микроструктура ацикулярной формы произведенной по технологии LPBF материала Ti6Al4V [110] ; e) Биссус мидий и гранулированная микроструктура кутикулы биссуса, показанная с помощью просвечивающей электронной микроскопией [111] ; f) сканирующий электронный микроскоп из композита WC/ Inconel 718 [101] ; g) макроскопическая фотография оболочки Crysomallon squamiferum и оптимальной микроструктуры поперечного сечения оболочки, показывающая многослойную структуру [105] ; h) Многослойный материал Ti6Al4V /TiB 2 , по подобию C. squamiferum [1]. 

Одним из них является технология LPBF на основе порошкового нанесения (рис. 5 (a)) [78, 79], а другой - лазерное направленное энергетическое осаждение (LDED) на основе порошкового распыления (рис. 5 (b)) [80].  В обоих процессах лазер применяется в качестве источника энергии для расплавления металлического порошка и нанесения композиций слой за слоем. Цифровая модель структуры может быть непосредственно преобразована в физический продукт с использованием технологии AM. В отличие от традиционных методов производства, AM является эффективным методом производства сложных структур с использования биологического дизайна. Текущие исследования сосредоточены на технологии LPBF для изготовления структур биологического дизайна [30, 68 , 74 , 75 ]. Это объясняется тем, что качество 3D-печати технологией LPBF выше, чем у LDED (типичные размеры лазерного пятна технологий LPBF и LDED составляют 70–200 μм и 3–6 мм соответственно [1]); следовательно, технологией LPBF можно производить 3D-печать структур биологического дизайна более точнее. Большинство металлических компонентов спроектированных биологическим дизайном и произведенных технологией LPBF, состоят из одного материала; однако, один материал не всегда может выполнить требования к реализации биологического дизайна характеристик/функций. Например, перламутр обычно характеризуется многослойной кирпично-минометной архитектурной структурой [81], которая включает в себя «мягкие» и «твердые» материалы, которые способствуют его прочности и ударной вязкости [82]. 

      «Мягкие» материалы — это органические матрицы, тогда как «твердые» материалы — это минералы [4, 83]. Чтобы полностью имитировать биологические структуры, одного материала часто недостаточно; следовательно, для дальнейшего развития этих структур исследуются композиты и возможность использования нескольких материалов. В этом разделе рассматривается использование одного материала, композиты и использование нескольких материалов для технологии LPBF, а также типичные технологические дефекты (поры микроструктуры и шероховатость поверхности) и труднообрабатываемые структуры.

3.1. Использование одного материала  

Металлические порошки, используемые в лазерных технологиях для AM, включают сплавы Al, Al-сплавы, Ti6Al4V и суперсплавы на основе Ni [11, 84–88]. Производство структур биологическим дизайном, произведенных лазерной технологией для AM, заключается в суперпозиции правильных связей материала и улучшении свойств, обеспечиваемых структурами. Материал металлических компонентов, спроектированных биологическим дизайном, должен быть выбран на основе предполагаемых инженерных применений. Лопатки турбин используются в высокотемпературных средах, где обычно используются суперсплавы на основе Никеля. Суперсплавы на основе Никеля демонстрируют двухфазную микроструктуру; одна из них — фаза усиления, известная как γ» — дисперсия (Ni,Co)3 (Al,Ti,Ta) осадков, а другая – обогащенная Cr Ni ma- trix [14].  Благодаря высокой скорости охлаждения лазерного процесса AM (10 3–10 6 °C/s) [14] при затвердевании образуются тонко клеточные, а не дендритные микроструктуры, что исключает дендритную сегрегацию. Сплав Ti6Al4V представляет собой α+ βтитановый сплав с низкой плотностью, высокой прочностью и ударной вязкостью, а также исключительной биологическойсовместимостью [11].  Сплавы Ti6Al4V широко используются в аэрокосмических компонентах, таких как газовые турбины, реактивные двигатели и компоненты планера, благодаря их превосходным механическим свойствам [89].  Кроме того, благодаря своей хорошей биосовместимости, сплав Ti6Al4V часто используется в качестве искусственного материала имплантата (рис. 5 (c)). Микроструктура 3D-печати технологией LPBF Ti6Al4V состоит из четырех типов мартенсита: первичного, вторичного, третичного и квартрического α мартенсита (рис. 5 (d)). Значительное количество дислокаций и двойников в сплаве Ti6Al4V повышает его прочность и ударную вязкость. Ячеистые структуры кости, изготовленные с помощью технологии LPBF, не только обладают тем же модулем упругости, что и биологическая кость, тем самым предотвращая «защиту от стресса», но также демонстрируют хорошую биосовместимость. Среди всех сплавов на основе Al, AlSi10Mg был впервые использован в лазерной технологии для AM и очень востребован в аэрокосмической, транспортной и оборонной промышленности из-за его легкого веса, низкого теплового расширения и механических свойств [90].  В последнее время были предложены высокопрочные сплавы на основе Al, такие сплавы как Al–Mg–Sc–Zr [91], Al–Mg–Si–Sc–Zr [92] и Al–Mn–Sc [93]. Типичная микроструктура сплавов Al-Si, произведенных технологией LPBF, содержит псевдоэвтектической волокнистой сети Si и матрицы Al [44], которая аналогична структуре ячеистых структур кости, которые были созданы биологическим дизайном. (рис. 2 (c)).Различные микроструктуры и механические свойства могут быть получены с помощью лазерной технологией для AM с использованием различных материалов. Структуры, спроектированные биологическим дизайном, часто обладают такими характеристиками, как тонкостенные, нависающие и уникальные изогнутые поверхностные структуры. Различные материалы часто демонстрируют разные характеристики и показатели при использовании 3D-печати различных структур биологического дизайна. Например, алюминиевые сплавы склонны к образованию шариков во время лазерной 3D-печати из-за их низкого лазерного поглощения, высокой отражательной способности и высокого родства с кислородом. Это может легко вызвать шероховатость поверхности и появление локальных пор. Титановые сплавы имеют низкую теплопроводность, которая может легко вызвать высокую локальную аккумуляцию тепла во время лазерной 3D-печати, тем самым восстанавливая такие проблемы, как зашлакованность и деформация напряжения. Поэтому совместимость материалов и конструкций следует учитывать при проектировании структур биологического дизайна.

3.2. Композитные материалы

     Композиты представляют собой материалы, состоящие из двух или более компонентов с различными химическими и физическими свойствами [94]. Структуры, созданные биологическим дизайном для технологии LPBF перспективны для создания технологичных и многофункциональных конструкций. Композиты, используемые в лазерных технологиях для AM, в основном включают в себя армированные композиты при синтезе in situ, армированные частицами композиты и углеродные материалы (например, углеродные нано трубы, углеродные нанотрубки [95] и графен [96]), армированные композиты.  Армированные при синтезе in situ композиты обычно ассоциируются с «легированием in situ», которое является термином, используемым для описания процесса, который может одновременно производить компоненты и создавать сплавы с использованием смешанных материалов [97].  Армированные частицами композиты образуются путем добавления керамических частиц к металлическому материалу, после чего керамические частицы частично расплавляются, а металлические материалы полностью расплавляются и затвердевают. Примеры включают (SiC, TiB 2)/Al [98], (TiC + TiN)/Ti [99] и композиты WC/Inconel 718 [100, 101 ]. Новая усиленная фазовая микроструктура композиционных материалов имеет решающее значение для повышения прочности и ударной вязкости. Возможные механизмы армирования армированных частицами композитов включают Orowan-тип, размер зерна, несущую способность и усиление повышенной плотности дислокации [94].  Следовательно, для достижения производительности, которая соответствует производительности естественных биологических структур, композитные материалы должны применяться при изготовлении структур биологическим дизайном. Кутикула биссуса мидии проявляет замечательную твердость (около 100 МПа) и жесткость с максимальной разрывной деформацией 100%, что обеспечивается гранулированной структурой (известной как "parti-cles") в белковой матрице (рис. 5 (e)). Модуль упругости частей в кутикуле ниже, чем у матрицы, и между «частицами» и матрицей существует сильная межфазная связь. Когда биссус мидии растягиваются, «частицы» сначала деформируются в овальную или веретенообразную форму, которая может поглощать значительное количество энергии и препятствовать расширению микротрещин. Поэтому биссус мидии обладают отличной прочностью и ударной вязкостью [102]. Мы полагаем, что прочностные механизмы армированных частицами композитов и биссус мидий основаны на разных подходах, но дают одинаково удовлетворительные результаты (рис. 5 (f)). Однако вовремя процессов в AM, особенно для технологии LPBF сложные структуры биологического дизайна, композитные порошки часто страдают от таких проблем, как агломерация порошка, низкая текучесть и неравномерное распространение порошка. Эти проблемы могут непосредственно привести к образованию локальных пор, недостаточному слиянию, трещинам и другим дефектам во время лазерного процесса, что значительно ухудшит технологически компонент, созданный биологическим дизайном. Поэтому интеграция контроля материалов, процессов и производительности имеет важное значение.

3.3. Мультиматериалы

     Превосходные характеристики структур, созданных биологическим дизайном полностью, не удовлетворяют требования клиентов с использованием одного материала или композитов. Использование мультиматериалов может привести к тому, что компонент проявит различные физико-математические и химические свойства в разных ситуациях; следовательно, мультиматериалы АМ является жизнеспособным вариантом для полной репликации свойств биологических структур [103, 104].  Так, C. squamiferum, брюхоногий моллюск, живет в глубоководном гидротермальном жерле и демонстрирует трехслойную структуру, содержащую толстый органический слой, зажатый между внешним слоем на основе железа и внутренним слоем кальцинированной оболочки (рис. 5 (g)) [105].  Эта специфическая структура оболочки позволяет моллюску C. squamiferum выживать в высокотемпературной среде и одновременно противостоять внешним атакам. Используя биологический дизайн по подобию трехслойной структуры оболочки моллюска C. squamiferum, для технологии LDED был изготовлен мультиматериала Ti6Al4V-TiB 2-Ti6Al4V   для теплоизоляции (рис. 5 (h)) [1].   Внедрение керамических материалов в мультиматериалы может эффективно повысить теплоизоляционные характеристики благодаря их низкой теплопроводности. Тем не менее, для мультиматериала, для технологии LPBF, наиболее важным соображением является то, будет ли нанесенный материал связываться с предыдущими слоями. Благодаря сложному взаимодействию различных материалов на стадиях плавления и затвердевания, склеивание регулируется специфическими свойствами материалов, которые определяются термодинамической эволюцией материалов. Несоответствие коэффициента расширения, коэффициента поглощения лазером, температуры плавления и теплопроводность подавляют комбинацию нескольких материалов [106].

Рисунок 6. Типичные дефекты и труднообрабатываемые структуры, создаваемые лазером для AM: (a–c) Три типа пор микроструктуры [114] ; (d–f) Дефекты поверхности, вызывающие шероховатость поверхности [ 30 , 117 , 118 ]; (g–i) Примеры труднообрабатываемых структурных особенностей в лазере для АМ [ 52 , 122 , 123 ].

  Дефекты в компонентах, изготовленных лазером для AM, в настоящее время неизбежны и приводят к компонентам с низкой относительной плотностью и размерной переменной массой. Три типа пор могут быть классифицированы на основе механизма формации лазера для AM. Далее мы рассмотрим типичные поры микроструктуры и поверхностные макродеформы компонентов, изготовленных лазером для AM. Поры замочной скважины: Поры замочной скважины, как показано на рис. 6 (а), образуются вследствие обрушения замочной скважины. Из-за чрезмерной затраченной энергии расплавленный бассейн получает достаточно энергии для испарения металла и образования плазмы. В этом сценарии разрабатывается полость пара, которая усиливает поглощение лазера, тем самым позволяя лазеру «сверлить» на более глубокую глубину и, следовательно, формировать замочную скважину. Обрушение замочной скважины приводит к тому, что газ на дне расплавленного бассейна несвоевременно вытекает, что приводит к образованию сферических пор замочной скважины [78, 112, 113]. Размер пор замочной скважины (15–60 μм) зависит от размера и формы замочной скважины, где максимальная пора образуется за счет уменьшения скорости лазерного сканирования при постоянной мощности лазера [113].  В результате большие поры замочной скважины ослабляют усталостный срок службы компонента, инициируя трещины. Поэтому порог замочной скважины и морфология лазерного применения для АМ должны быть настроены на основе параметров 3D-печати. Захваченные газовые поры: ранее существовавший защитный газ в порошке или селективное испарение элементов во время плавления материала приводит к образованию захваченных газовых пор. 6 (b), захваченные газовые поры обычно сферические и меньше, чем поры замочной скважины [114].  Элементы сплава испарялись с поверхности расплавленного бассейна, хотя элементы сплава исчерпывались из всего однородно смешанного жидкого бассейна во время лазерной обработки. Одним из влияющих факторов, определяющих величину вариации композиции, является объемное отношение площади поверхности. Хотя высокая температура ускоряет испарение, она также увеличивает размер расплавленного бассейна, что приводит к меньшему изменению состава из-за увеличения объема. Следовательно, температурное поле и геометрия расплавленного бассейна должны быть оценены для понимания композиционных изменений вовремя AM [115].   Поры без плавления (LOF): когда металлический порошок не полностью расплавлен и расплавленный бассейн не может заполнить поры между порошками, образуются поры LOF (рис. 6 (c)) [114].  Поры LOF способствуют распространению и возникновению ям, тем самым ухудшая механические свойства компонентов. Как правило, степень пустот LOF можно характеризовать "индексом отсутствия плавления" (т. е. LF = глубина расплавленного бассейна/толщина слоя). Чем выше значение LF, тем меньше количество пор.Следовательно, большие бассейны расплава с полным проникновением в ранее нанесенные слои обеспечивают соответствующее сцепление, следовательно, уменьшают количество пор LOF [116].  Таким образом, увеличение мощности лазера или уменьшение скорости сканирования может уменьшить поры LOF за счет увеличения размера бассейна расплава. Однако плотность энергии лазера должна контролироваться, чтобы предотвратить образование газовых пор.

     Связующий порошок: В лазерной технологии для АМ край расплавленного бассейна находится в контакте с нерасплавленным порошком, который частично плавится и прилипает к поверхности компонента (рис. 6 (d)). Связующий порошок увеличивает шероховатость поверхности компонентов, изготовленных лазерной технологией для AM [117], тем самым ухудшая структурную целостность и следовательно, ухудшая эксплуатационные характеристики. Снижение вязкости расплава может эффективно уменьшить количество связующего порошка. Ввод высокой энергии может повысить температуру реакции в бассейне расплава, тем самым уменьшая вязкость расплавленного материала. Что касается произведенных компонентов, методы последующей обработки, такие как механическая полировка, пескоструйная обработка и химическая обработка, могут эффективно удалить прилипший порошок и улучшить шероховатость поверхности.

      Феномен комкования: Явление, при котором сканирующие дорожки, разделенные в технологии LPBF, разделяются на комки, известно как комкование (рис. 6 (e)). Комкование, вероятно, происходит в металлических материалах с низкой смачиваемостью. Вовремя процесса LPBF благоприятное смачивание и распространение жидкой фазы имеют жизненно важное значение. Типично, когда жидкая фаза не может проникнуть в нерасплавленные твердые частицы, происходит комкование. Это может повлиять на формирование следующего слоя, что может уменьшить уплотнение и ухудшить свойства материала. Динамика комкования в процессе LPBF в первую очередь контролируется потоком жидкости, вызванным градиентом поверхностного натяжения в бассейне расплава. Увеличение плотности энергии лазера увеличивает теплоотдачу, градиент температуры и градиент поверхностного натяжения поверхности бассейна расплава. Это приводит к увеличению потока жидкости в бассейне расплава, что может способствовать разделению дорожек сканирования на шарики [118].  Таким образом, разумный контроль потребляемой энергии во время 3D-печати, например, путем регулировки мощности лазера, скорости сканирования и толщины порошкового слоя, может эффективно уменьшить комкование. Кроме того, точная модель, имитирующая комкование во время процесса LPBF, может способствовать лучшему пониманию влияния каждого параметра 3D-печати на качество производимых компонентов [119]. 

    Ступеньки лестницы: во время процесса LPBF тепло в основном передается через твердые вещества. Большинство участков наклонной поверхности соединены с порошком, а не с твердым материалом. Поэтому из-за угла наклона часть тепла проводится на слой порошка, а взаимодействие между лазером и порошком вызывает локальный перегрев, что приводит к чрезвычайно большой геометрии бассейна расплава с последующим формированием ступеней лестницы (рис. 6 (f)) [120].  Эффект лестничной ступени приводит к увеличению шероховатости поверхности, что снижает точность 3D-печати структур. Крупные конструкции с резким направлением построения вытесняют видимую ступеньки лестницы на поверхности, что неблагоприятно для последующего процесса механической обработки. Небольшая толщина слоя может эффективно ослабить эффект ступеней лестницы и улучшить качество 3D-печати. Однако для габаритных сложных компонентов небольшая толщина слоя подразумевает затрату больше времени, необходимого для завершения печати. Поэтому подходящее направление построения необходимо, чтобы избежать резко направленное построение 3D-печати. [121]. Структуры, созданные биологическим дизайном, обычно демонстрируют сложные структурные формы и включают в себя множество труднообрабатываемых структурных особенностей, таких как нависающие структуры, тонкостенные структуры и микропустоты, как показано на рисунке 6 (g)-(i). Эти труднообрабатываемые структурные особенности структур биологического дизайна способствуют образованию дефектов, а увеличение дефектов, вероятно, приведет к нарушению 3D-печати. Следовательно, необходимо контролировать дефекты формирования и снижать труднообрабатываемые структурные особенности. В настоящее время труднообрабатываемые структурные особенности обычно управляются путем оптимизации угла 3D-печати с использованием программного обеспечения c использованием симуляции построения 3D-печати. Для 3D-печати структур биологического дизайна необходимо учитывать трудности, связанные с этими труднообрабатываемыми структурными особенностями, при проектировании конструкций и минимизировать их появление.

Рисунок 7. Методы определения механических свойств структур биологического дизайна: а) статическое сжатие; b) численное моделирование распределения напряжений [68]; c) поглощение энергии рассчитывается на основе кривых деформации при сжатии [132]; d) аппарат ускоренного испытания на удар; (e) Сила удара и смещение против диаграммы ячеистых структур.  [37].

4. Механические свойства структур биологического дизайна, изготовленных с помощью лазерных технологий для AM.

    Структуры биологического дизайна, созданные лазерной технологией для АМ, представленные в разделе 2, обладают благоприятными механическими свойствами. Ожидается, что эти структуры биологического дизайна будут применяться в нагруженных и ударопрочных компонентах в аэрокосмической, автомобильной и медицинской областях.

Характеристика механических свойств структур биологического дизайна и понимание их внутренних механизмов способствуют улучшению их эксплуатационных характеристик. В этом разделе рассматриваются наиболее часто используемые методы и показатели механических свойств структур биологического дизайна для металлических материалов.

4.1. Несущая способность

    Несущая способность обычно получается с помощью экспериментов по статическому сжатию (рис. 7 а)). Кривая напряжения-деформации, полученная в результате компрессионных экспериментов, указывает на модуль упругости, прочность на разрушение, поглощение энергии и другие свойства структуры. Типичную кривую сжатия напряжения-деформации металлических ячеистых структур можно классифицировать на три стадии: упругую, плато и уплотнение [24, 124, 125]. Стадия упругости соответствует упругой деформации структуры, где наклон упругой стадии представляет собой модуль упругости. Стадия плато в процессе сжатия представляет собой прерывистый сбой структуры. Стадия уплотнения представляет собой разрушение структуры путем уплотнения. Распределение напряжений (рис. 7 (b)) и режимы деформации структуры в процессе сжатия должны быть исследованы, чтобы понять механизм изменения свойств. Они могут быть получены с помощью цифровой корреляции изображения или финальной симуляции.

4.2. Поглощение энергии

    Для несущих и ударопрочных конструкций поглощение энергии имеет решающее значение. Уровень поглощения энергии часто используется для оценки механических свойств структур. Соответствующие расчетные выражения и методы вычисления приведены далее [30, 44].

Поглощение энергии (EA) обозначает энергию, поглощенную при давлении, и определяется площадью под кривой напряжения-деформации сжатия, как показано на рис. 7 (c). Она выражается следующим образом:

E A (d) = d ∫0 F (x) d x     (1),

где F (x) - сила нагрузки, а d - смещение.

Удельное поглощение энергии (SEA) — это энергия, поглощаемая на единицу массы; она уравновешивает энергию и массу, чтобы отразить поглощение энергии структур.  SEA выражается следующим образом:

SE A (d) = E A (d)

                     m                (2),

где m - масса структуры, а EA - поглощение энергии при сжатии, которое определяется Eq. (1).

Эффективность силы раздавливания (CFE) обозначает однородность нагрузки. Чем больше значение CFE, тем выше стабильность несущей конструкциии. Она выражается следующим образом:

C F E = MC F

             P C F ×100%     (3)

где PCF - пиковая сила раздавливания при сжимающей нагрузке, а MCF - средняя сила раздавливания, которая может быть выражена как

MCF = EA

            d                         (4)

где EA — поглощение энергии, а d — смещение.

4.3. Ударопрочность

    Для биологических структур, таких как кости, ударопрочность имеет значение для сопротивления внешним воздействиям и защиты внутренних органов. Структуры биологического дизайна обычно проявляют ударопрочные свойства. Эти свойства могут быть получены с помощью динамических сжимающих испытаний, которые выполняются для определения энергии, поглощаемой при резком приложении силы [128].  Для ударных испытаний металлических материалов методы Шарпи и Изода обычно используются для определения переходов вязкость-хрупкость [19, 129].В последнее время для определения свойства ударопрочности плоских, незакаленных образцов было использовано испытание падающим грузом [23, 130], при котором на образец сбрасывается известная масса с определённой высоты.  Для проведения ударных испытаний 3D-печати произведенной лазерной технологией для АМ и спроектированы методом биологического дизайна для металлических компонентов, таких как соты [131] и ячеистые структуры [37], обычно используется оборудование Кольского (рис. 7 (d)). Высокоскоростная камера со скоростью, превышающей 15000 фут/с, и разрешением изображения, превышающим 256 ×256 пикселей, обычно используется для записи испытаний на удар. В испытаниях на удар кривые силы удара и смещения регистрируются с течением времени для анализа ударопрочных свойств (рис. 7 е)).

 5.Функции структур биологического дизайна, изготовленных технологией LPBF.

     В дополнение к своим механическим свойствам некоторые металлические компоненты, спроектированные биологическим дизайном, изготовленные с помощью лазерной технологией для AM, демонстрируют определенные функциональные возможности [32, 35, 133].

Рисунок 8. Функциональные возможности структур биологического дизайна, изготовленных с помощью лазерных технологий для AM: (a) пневматически управляемый протез руки [133]; b) функция терморегулирования градиентной трубчатой структуры [32]; c) SEM моллюска хитона R. canariensis и бронежилеты спроектированные биологическим дизайном [38]; d) электроэнергия, вырабатываемая при сжатии и рекуперации гибкой интегрированной магнитоэлектрической структуры [35]; e) трехмерно напечатанный само каталитический реактор [147]; (f) Структура светового фокуса, 3D-печать технологией LPBF, созданная по подобию глаза омара [122].

Спрос на многофункциональные компоненты (рис. 8 а)) в современной промышленности постепенно увеличивается; в частности, очень востребованы компоненты, созданные биологическим дизайном, которые демонстрируют отличные механические свойства и функциональность одновременно. В этом разделе мы рассмотрим три типа функциональных возможностей металлических компонентов, созданных биологическим дизайном.

5.1. Терморегулирование

      В природе многие организмы демонстрируют отличную теплоизоляцию, особенно те, которые живут в условиях экстремальной температуры, таких как вулканические кратеры, а также антарктические и арктические регионы. Брюхоногий моллюск Crysomallon squamiferum обитает в гидротермальные источники Кайрей-Ин-диан. Его естественная броня, которая демонстрирует железную многослойную структуру, может выдерживать высокие температуры и выполнять функции теплоизоляции [105].  Пингвины могут выдерживать экстремальные холода во время голодания до 120 дней, что в первую очередь обусловлено отличной тепловой стойкостью их перьев [134].  Уникальная полая структура меха белых медведей позволяет им выживать в чрезвычайно холодных арктических регионах [135].  Анализ и реконструкция уникальной биологической структуры организмов, живущих в условиях экстремальных температур, может дать новые идеи для разработки структур или материалов теплового контроля следующего поколения. В настоящее время исследования в отношении АМ компонентов для теплового контроля, в основном сосредоточены на структурном проектировании и инновациях материалов [32, 136–138]. Для разработки процесса LPBF терморегулирующих структур биологического дизайна, была исследована теплопроводность градиентных ячеистых структур, изготовленных из норвежской ели (рис. 8 (b)) [32]. Результаты показали, что градиент ячеистых структур с более крупными полыми трубками на пластинах вблизи верхней и нижней части и с меньшими полыми трубками в центре показали самую низкую теплопроводность 2,321 Вт / (М.К). Кроме того, высокая степень свободы технологии LPBF при проектировании конструкций способствует разработке теплопроводящих устройств из пористого металла. [137].  Что касается материалов для терморегулирования с использованием лазерной технологии для AM, введение керамики эффективно снижает теплопроводность металлов. Например, слоистый мультиматериал, состоящий из Al–12Si и Al 2 O 3, снижает теплопроводность более чем на 60% в диапазоне температур 50–300 °C за счет добавления Al 2 O 3 [136].

5.2. Защита

   Защитная броня вездесуща у природных существ и может быть прослежена до окаменелостей Плакодерма, обнаруженных 380 миллионов лет назад [139].  Современные организмы, включая рыб, рептилий и млекопитающих, имеют различную броню. Основной функцией брони является защита органов тела. Как бы то ни было, эти доспехи многофункциональны; например, они обеспечивают гибкость, гидродинамическое сопротивление, тепло и окраску для камуфляжа [139].  Согласно Исламу и др.  [140] защитная броня биологического дизайна может быть классифицирована на следующие четыре категории в зависимости от нагрузочных условий: высокоскоростная защита от столкновений, низкоскоростная тупая ударная нагрузка, резкая ударная нагрузка и мобильность / движение. Природа является отличным источником вдохновения для разработки новых защитных конструкций, а лазерные технологии для AM обеспечивает основу для изготовления сложных защитных конструкций с биологического дизайна.

    Недавнее исследование показало, что чешуя хитонов, древней линии моллюсков, сочетает в себе гибкость и защиту [38].  По сравнению с раковинами других моллюсков, таких как улитки, скафоподы и головоногие моллюски, оболочка хитона состоит из перекрывающихся пластин раковины, которые демонстрируют широкий диапазон гибкости (рис. 8 (c)). Хвосты морских коньков обеспечивают предчувствие и защиту от хищников. Костные пластины в хвосте морского конька специально разработаны для обеспечения гибкости и устойчивости к внешнему воздействию. Имитация хвостов морских коньков может привести к новой ударопрочности и гибкой броне [141]. Предыдущие исследования показали, что полимерные материалы могут быть использованы для создания брони [38, 141, 142], но металлические материалы более желательны из-за их высокой прочности и ударной вязкости. Кроме того, лазерные технологии для АМ являются эффективным методом изготовления защитных конструкций биологическим дизайном. Как упоминалось в разделе 2.2, двунаправленная гофрированная панель, по подобию тельсона креветок-богомолов, и песчаная структура, вдохновленная цибистерной элитрой, были изготовлены с помощью технологии LPBF. Эти две структуры, которые демонстрируют отличные свойства поглощения энергии, можно рассматривать как защитные структуры.

5.3. Изменение формы

    Технология 3D-печати, включающая сформированный компонент, демонстрирующий изменение формы, известна как четырехмерная (4D) печать. В настоящее время неметаллические материалы используются в большинстве технологий 4D-печати. Примером является разработка эластомерных полиматричных нанокомпозиций, которые могут быть напечатаны и растянуты за пределы трехкратной длины предшественников [143].  Другое недавнее исследование, относящееся к 4D-печати, включает в себя материал способный сам накладывать стягивающую шину, по подобию Dioscorea bulbifera, которая является растением, но может генерировать силы, обвиваясь вокруг опоры и расширяя свои прилистники [144].  Для металлической 4D-печати NiTi является наиболее перспективным материалом для изготовления изменяющих форму компонентов благодаря своему уникальному эффекту памяти формы [145, 146].Например, иерархическая микроструктура, по подобию кузнечиками-экзоскелетом, была достигнута с помощью технологии LPBF с использованием материала NiTi. Испытания на сжатие показали, что благодаря мартенситному преобразованию NiTi образцы обладали большим диапазоном деформаций при небольшом угле поворота [6]. Кроме того, предложена концепция комбинирования материалов для построения четырехмерно печатных композиций, которые содержат проводящую и магнитную составляющие [35].  В дополнение к вышеуказанным функциям сообщалось о трехмерно напечатанных металлических интегрированных каталитических системах, которые могут одновременно служить химическими реакторами и катализаторами (рис. 8 (e)) [147].  Эти системы оптимизируют геометрическую морфологию для усиления каталитической функции.Лазерные технологии для AM были применены для изготовления оптических компонентов, которые могут сближать лучи (рис. 8 (f)) [122].  Сферический микроканальный компонент, по подобию глаза омара, был произведен с использованием технологии LPBF, также было исследовано влияние мощности лазера на поведение уплотнения, точность размеров и шероховатость поверхности. Результаты показали, что не только параметры лазера, но и структурные характеристики влияют на 3D-печать компонентов технологией LPBF [122]. Структуры биологического дизайна часто вытесняют множество функций и свойств. В связи с этим лазерная технология для АМ является жизнеспособным методом изготовления многофункциональных и сложных металлических конструкций с использованием биологического дизайна.

6. Выводы и перспективы

      За миллионы лет эволюции природа стала важным источником вдохновения для разработки новых материалов и конструкций. Научно-технические проблемы могут быть решены путем исследования природных структур и материалов. Было продемонстрировано, что использования лазерных технологий для AM является эффективным методом изготовления металлических структур биологического дизайна. В последние годы исследования, относящиеся к структурам биологического дизайна, особенно в области лазерных технологий для AM металлических компонентов, значительно продвинулись. Здесь мы кратко представляем процесс лазерных технологий для АМ структур биологического дизайна, включая обозначение структуры, выбор материала, характеристику свойств и реализацию функций. Несмотря на значительный прогресс лазерного применения для АМ структур биологического дизайна, многие проблемы еще предстоит решить.

      (1) Конфигурация структур биологического дизайна должна быть упрощена, а математические законы обобщены. В инженерных областях конструкции, применяемые в широком диапазоне, такие как сотовые конструкции, часто являются регулярными. Мы считаем, что хороший конструктивный дизайн должен определяться структурной закономерностью. Структуры биологического дизайна, как правило, сложны из-за их многочисленных функций, и правило изменения конфигурации структур биологического дизайна трудно определить.

      (2) Предстоит разработать специальные материалы для лазерных технологий в АМ для использования в изготовлении структур биологического дизайна. Применение одного материала и композита недостаточно для полного воспроизведения функций и свойств структур биологического дизайна. Большинство биологических структур состоят из «мягких» и «твердых» материалов, которые способствуют их прочности и ударной вязкости.

Использование мультиматериалов может позволить компоненту проявлять различные физические и химические свойства в различных положениях, тем самым удовлетворяя требованиям структур биологического дизайна. Разработка металлических или керамических порошковых материалов с теми же механическими свойствами, что и биологические материалы, имеет решающее значение для лазерных технология для АМ структур биологического дизайна.

    (3) Лазерная технология для AM должна быть дополнительно улучшена, чтобы обеспечить возможность изготовления более совершенных структур биологического дизайна. Размер лазерного пятна определяет наименьшую единицу компонента лазера AM. Мощный лазер с меньшим размером пятна может улучшить 3D-печать прецизионных структур биологического дизайна. Кроме того, внутренние и внешние дефекты компонентов биологического дизайна, изготовленных лазерной технологией для AM, должны быть уменьшены путем оптимизации параметров процесса.

    (4) Искусственный интеллект (ИИ) и машинное обучение могут облегчить проектирование структур биологического дизайна. Растущее применение ИИ и машинного обучения для анализа взаимосвязи между биологическими структурами и производительностью позволит нам понять причины, способствующие высокой производительности биологических структур. Объединение программного обеспечения для моделирования и ИИ облегчит моделирование структур биологического дизайна за счет адаптивной оптимизации модели.

Справочная информация

[1] Gu D, Shi X, Poprawe R, et al. Material-structure-performance integrated laser-metal additive manufacturing. Science 2021;372: eabg1487.

[2] Yang Y, Song X, Li X, et al. Recent progress in biomimetic additive manufacturing technology: from materials to functional structures. Adv Mater 2018:1706539.

[3] du Plessis A, Broeckhoven C, Yadroitsava I, et al. Beautiful and functional: a review of biomimetic design in additive manufacturing. Addit Manuf 2019; 27:408–27.

[4] Yang Y, Li X, Chu M, et al. Electrically assisted 3D printing of nacre-inspired structures with self-sensing capability. Sci Adv 2019;5: eaau9490.

 [5] Huang W, Shishehbor M, Guarín-Zapata N, et al. A natural impact-resistant bicontinuous composite nanoparticle coating. Nat Mater 2020; 19:1236–43.

[6] Gu D, Ma C, Dai D, et al. Additively manufacturing-enabled hierarchical NiTi-based shape memory alloys with high strength and toughness. Virtual Phys Prototyp 2021;16: S19–38.

[7] Zaheri A, Fenner JS, Russell BP, et al. Revealing the mechanics of helicoidal composites through additive manufacturing and beetle developmental stage analysis. Adv Funct Mater 2018; 28:1803073.

[8] Benyus JM. Biomimicry: innovation inspired by nature. US: Harper Collins; 1997.

[9] Ostovari Moghaddam A, Shaburova NA, Samodurova MN, et al. Additive manufacturing of high entropy alloys: a practical review. J Mater Sci Technol 2021; 77:131–62.

 [10] Shi R, Khairallah SA, Roehling TT, et al. Microstructural control in metal laser powder bed fusion additive manufacturing using laser beam shaping strategy. Acta Mater 2020; 184:284–305.

 [11] Liu S, Shin YC. Additive manufacturing of Ti6Al4V alloy: a review. Mater Des 2019; 164:107552.

[12] Kürnsteiner P, Wilms MB, Weisheit A, et al. High-strength Damascus steel by additive manufacturing. Nature 2020; 582:515–19.

[13] Sanaei N, Fatemi A. Defects in additive manufactured metals and their effect on fatigue performance: a state-of-the-art review. Prog Mater Sci 2021; 117:100724.

[14] Panwisawas C, Tang YT, Reed RC. Metal 3D printing as a disruptive technology for superalloys. Nat Commun 2020; 11:2327.

[15] Barba D, Alabort E, Reed RC. Synthetic bone: design by additive manufacturing. Acta Biomater 2019; 97:637–56. [16] Zhang Y, Xu X, Wang J, et al. Crushing analysis for novel bio-inspired hierarchical circular structures subjected to axial load. Int J Mech Sci 2018; 140:407–31.

[17] Li C, Lei H, Zhang Z, et al. Architecture design of periodic truss-lattice cells for additive manufacturing. Addit Manuf 2020; 34:101172.

 [18] Tancogne-Dejean T, Spierings AB, Mohr D. Additively manufactured metallic mi- cro-lattice materials for high specific energy absorption under static and dynamic loading. Acta Mater 2016; 116:14–28.

 [19] Zhou H, Zhao M, Ma Z, et al. Sheet and network based functionally graded lattice structures manufactured by selective laser melting: design, mechanical properties, and simulation. Int J Mech Sci 2020; 175:105480.

[20] Liu X, Suzuki A, Takata N, et al. Dual plateau stress of C15-type topologically close–packed lattice structures additive-manufactured by laser powder bed fusion. Sci Mater 2021; 202:114003.

[21] Duan S, Wen W, Fang D. Additively manufactured anisotropic and isotropic 3D plate-lattice materials for enhanced mechanical performance: simulations and experiments. Acta Mater 2020; 199:397–412.

[22] Baranowski P, P ł atek P, Antolak-Dudka A, et al. Deformation of honeycomb cellular structures manufactured with laser engineered net shaping (LENS) technol- ogy under quasi-static loading: experimental testing and simulation. Addit Manuf 2019; 25:307–16.

[23] Hu D, Wang Y, Song B, et al. Energy-absorption characteristics of a bionic honey- comb tubular nested structure inspired by bamboo under axial crushing. Compos Part B Eng 2019; 162:21–32.

[24] Seiler PE, Tankasala HC, Fleck NA. The role of defects in dictating the strength of brittle honeycombs made by rapid prototyping. Acta Mater 2019; 171:190–200.

[25] Zhang Q, Yang X, Li P, et al. Bioinspired engineering of honeycomb structure - using nature to inspire human innovation. Prog Mater Sci 2015; 74:332–400.

[26] Tsang HH, Raza S. Impact energy absorption of bio-inspired tubular sections with structural hierarchy. Compos Struct 2018; 195:199–210.

 [27] Bührig-Polaczek A, Fleck C, Speck T, et al. Biomimetic cellular metals - using hier- archical structuring for energy absorption. Bioinspir Biomim 2016; 11:045002.

[28] Ha NS, Lu G, Xiang X. Energy absorption of a bio-inspired honeycomb sandwich panel. J Mater Sci 2019; 54:6286–300 [29] Zhang B, Pei X, Zhou C, et al. The biomimetic design and 3D printing of customized mechanical properties porous Ti6Al4V scaffold for load-bearing bone reconstruction. Mater Des 2018; 152:30–9.

[30] Yang J, Gu D, Lin K, et al. Optimization of bio-inspired bi-directionally corrugated panel impact-resistance structures: Numerical simulation and selective laser melt- ing process. J Mech Behav Biomed Mater 2019; 91:59–67.

[31] Du Y, Gu D, Xi L, et al. Laser additive manufacturing of bio-inspired lattice structure: forming quality, microstructure, and energy absorption behavior. Mater Sci Eng A 2020; 773:138857.

[32] Lin K, Hu K, Gu D. Metallic integrated thermal protection structures inspired by the Norway spruce stem: design, numerical simulation, and selective laser melting fabrication. Opt Laser Technol 2019; 115:9–19.

[33] Wei C, Li L, Zhang X, et al. 3D printing of multiple metallic materials via modified selective laser melting. CIRP Ann Manuf Technol 2018; 67:245–8.

[34] Martin JH, Yahata BD, Hundley JM, et al. 3D printing of high-strength aluminum alloys. Nature 2017; 549:365–9.

[35] Wu H, Zhang X, Ma Z, et al. A material combination concept to realize 4d printed products with newly emerging property/functionality. Adv Sci 2020:1903208.

[36] Pham M, Liu C, Todd I, et al. Damage-tolerant architected materials inspired by crystal microstructure. Nature 2019; 565:305–11.

[37] Maliaris G, Argyros A, Smyrnaios E, et al. Novel additively manufactured bio-in- spired 3D structures for impact energy damping. CIRP Ann Manuf Technol 2021; 70:199–202.

 [38] Connors M, Yang T, Hosny A, et al. Bioinspired design of flexible armor based on chiton scales. Nat Commun 2019; 10:5413.

[39] Gibson LJ, Ashby MF. Cellular solids: structure and properties. 2nd ed. Cambridge: Cambridge University Press; 1997. [40] Al-Ketan O, Rowshan R, Al-Rub RKA . Topology-mechanical property relationship of 3D printed strut, skeletal, and sheet based periodic metallic cellular materials. Addit Manuf 2018; 19:167–83.

[41] Liu M , Takata N , Suzuki A , et al. Microstructural characterization of cellular AlSi10Mg alloy fabricated by selective laser melting. Mater Des 2018;157:478–91 .

 [42] Yang L , Mertens R , Ferrucci M , et al. Continuous graded Gyroid cellular structures fabricated by selective laser melting: design, manufacturing and mechanical prop- erties. Mater Des 2019;162:394–404 .

[43] Yang L , Yan C , Cao W , et al. Compression–compression fatigue behaviour of gy- roid-type triply periodic minimal surface porous structures fabricated by selective laser melting. Acta Mater 2019;181:49–66 .

[44] Yang J , Gu D , Lin K , et al. Laser additive manufacturing of cellular structure with enhanced compressive performance inspired by Al–Si crystalline microstructure. CIRP J Manuf Sci Technol 2021;32:26–36 .

[45] NeffC , Hopkinson N , Crane NB . Experimental and analytical investigation of mechanical behavior of laser-sintered diamond-lattice structures. Addit Manuf 2018;22:807–16 .

[46] Murr LE , Gaytan SM , Medina F , et al. Characterization of Ti-6Al-4V open cellular foams fabricated by additive manufacturing using electron beam melting. Mater Sci Eng A 2010;527:1861–8 .

[47] Wang G , Shen L , Zhao J , et al. Design and compressive behavior of controllable irregular porous scaffolds: based on voronoi-tessellation and for additive manufac- turing. ACS Biomater Sci Eng 2018;4:719–27 .

[48] Gómez S , Vlad MD , López J , et al. Design and properties of 3D scaffolds for bone tissue engineering. Acta Biomater 2016;42:341–50 .

[49] Corkery RW , Tyrode EC . On the colour of wing scales in butterflies: irides- cence and preferred orientation of single gyroid photonic crystals. Interface Focus 2017;7:20160154 .

[50] Peng C , Fox K , Qian M , et al. 3D printed sandwich beams with bioinspired cores: mechanical performance and modelling. Thin Walled Struct 2021;161:107471 .

[51] Tung CC , Wang HJ , Chen PY . Lightweight, compression-resistant cellular structures inspired from the infructescence of Liquidambar formosana. J Mech Behav Biomed Mater 2020;110:103961 .

 [52] Zhang Y , Wang Z , Zhang Y , et al. Bio-inspired generative design for support struc- ture generation and optimization in additive manufacturing (AM). CIRP Ann Manuf Technol 2020;69:117–20.

 [53] Cao Q , Bai Y , Zhang J , et al. Removability of 316L stainless steel cone and block support structures fabricated by selective laser melting (SLM). Mater Des 2020;191:108691 .

[54] Mezzadri F , Bouriakov V , Qian X . Topology optimization of self-supporting support structures for additive manufacturing. Addit Manuf 2018;21:666–82 .

[55] Zou J , Zhang Y , Feng Z . Topology optimization for additive manufacturing with self-supporting constraints. Struct Multidiscip Optim 2021;63:2341–53 .

[56] Zhao M , Zhang DZ , Liu F , et al. Mechanical and energy absorption characteristics of additively manufactured functionally graded sheet lattice structures with minimal surfaces. Int J Mech Sci 2020;167:105262 .

[57] Naleway SE , Porter MM , McKittrick J , et al. Structural design elements in biological materials: application to bioinspiration. Adv Mater 2015;27:5455–76 .

[58] Zimmermann EA , Gludovatz B , Schaible E , et al. Mechanical adaptability of the Bouligand-type structure in natural dermal armour. Nat Commun 2013;4:2634 .

[59] Jo W , Kang HS , Choi J , et al. Light-designed shark skin-mimetic surfaces. Nano Lett 2021;21:5500–7 .

[60] Porter MM , Novitskaya E , Castro-Ceseña AB , et al. Highly deformable bones: un- usual deformation mechanisms of seahorse armo. Acta Biomater 2013;9:6763–70 .

[61] Yaraghi NA , Trikanad AA , Restrepo D , et al. The stomatopod telson: conver- gent evolution in the development of a biological shield. Adv Funct Mater 2019;29:1902238 .

[62] Meng L , Liang H , Yu H , et al. The energy absorption and bearing capacity of light-weight bio-inspired structures produced by selective laser melting. J Mech Behav Biomed Mater 2019;93:170–82 .

 [63] Patek SN , Nowroozi BN , Baio JE , et al. Linkage mechanics and power amplification of the mantis shrimp’s strike. J Exp Biol 2007;210:3677–88 .

[64] Grunenfelder LK , Milliron G , Herrera S , et al. Ecologically driven ultrastructural and hydrodynamic designs in stomatopod cuticles. Adv Mater 2018;30:1705295 .

[65] Weaver JC , Milliron GW , Miserez A , et al. The stomatopod dactyl club: a formidable damage-tolerant biological hammer. Science 2012;336:1275–80 .

[66] Taylor JRA , Patek SN . Ritualized fighting and biological armor: the impact me- chanics of the mantis shrimp’s telson. J Exp Biol 2010;213:3496–504 .

[67] Li S , Liu P , Lin W , et al. Optimized hierarchical structure and chemical gradients promote the biomechanical functions of the spike of mantis shrimps. ACS Appl Mater Interfaces 2021;13:17380–91 .

[68] Yang J , Gu D , Lin K , et al. Laser 3D printed bio-inspired impact resistant structure: failure mechanism under compressive loading. Virtual Phys Prototyp 2020;15:75–86 .

[69] Gu D , Yang J , Lin K , et al. Compression performance and mechanism of super- imposed sine-wave structures fabricated by selective laser melting. Mater Des 2021;198:109291 .

[70] Mao A , Zhao N , Liang Y , et al. Mechanically efficient cellular materials inspired by cuttlebone. Adv Mater 2021:2007348 [71] Mirkoohi E , Sievers DE , Garmestani H , et al. Thermo-mechanical modeling of ther- mal stress in metal additive manufacturing considering elastoplastic hardening. CIRP J Manuf SciTechnol 2020;28:52–67 .

 [72] Ullah I , Elambasseril J , Brandt M , et al. Performance of bio-inspired Kagome truss core structures under compression and shear loading. Compos Struct 2014;118:294–302 .

[73] Qi G , Ji B , Ma L . Mechanical response of pyramidal lattice truss core sandwich structures by additive manufacturing. Mech Adv Mater Struct 2019;26:1298–306 .

[74] Wang H , Gu D , Lin K , et al. Compressive properties of bio-inspired reticulated shell structures processed by selective laser melting. Adv Eng Mater 2019:1801168 .

[75] Gu D , Yang J , Wang H , et al. Laser powder bed fusion of bio-inspired reticulated shell structure: optimization mechanisms of structure, process, and compressive property. CIRP J Manuf Sci Technol 2021;35:1–12 .

[76] Fernandes MC , Aizenberg J , Weaver JC , et al. Mechanically robust lattices inspired by deep-sea glass sponges. Nat Mater 2021;20:237–41 .

[77] ISO/ASTM international, ISO/ASTM 52900 , additive manufacturing-general principles-terminology, 2015.

[78] Cunningham R , Zhao C , Parab N , et al. Keyhole threshold and morphology in laser melting revealed by ultrahigh-speed x-ray imaging. Science 2019;363:849–52 .

[79] Chen H , Yan W . Spattering and denudation in laser powder bed fusion process: multiphase flow modelling. Acta Mater 2020;196:154–67 .

[80] Wang Z , Palmer TA , Beese AM . Effect of processing parameters on microstructure and tensile properties of austenitic stainless steel 304L made by directed energy deposition additive manufacturing. Acta Mater 2016;110:226–35 .

[81] Xin Z , Zhang X , Duan Y , et al. Nacre-inspired design of CFRP composite for im- proved energy absorption properties. Compos Struct 2018;184:102–9 .

 [82] Amini A , Khavari A , Barthelat F , et al. Centrifugation and index match- ing yield a strong and transparent bioinspired nacreous composite. Science 2021;373:1229–34 .

[83] Gu GX , Takaffoli M , Buehler MJ . Hierarchically enhanced impact resistance of bioinspired composites. Adv Mater 2017;29:1700060 .

[84] Chen JK , Wu MW , Cheng TL , et al. Continuous compression behaviors of selective laser melting Ti-6Al-4V alloy with cuboctahedron cellular structures. Mater Sci Eng C 2019;100:781–8 .

85] Karg MCH , Munk A , Ahuja B , et al. Expanding particle size distribution and mor- phology of aluminium-silicon powders for laser beam melting by dry coating with silica nanoparticles. J Mater Process Technol 2019;264:155–71 .

[86] Takata N , Kodaira H , Sekizawa K , et al. Change in microstructure of selectively laser melted AlSi10Mg alloy with heat treatments. Mater Sci Eng A 2017;704:218–28 .

[87] Liu YJ , Liu Z , Jiang Y , et al. Gradient in microstructure and mechanical property of selective laser melted AlSi10Mg. J Alloys Compd 2018;735:1414–21 .

[88] Johnson L , Mahmoudi M , Zhang B , et al. Assessing printability maps in additive manufacturing of metal alloys. Acta Mater 2019;176:199–210 .

 [89] Vilardell AM , Takezawa A , du Plessis A , et al. Topology optimization and charac- terization of Ti6Al4V ELI cellular lattice structures by laser powder bed fusion for biomedical applications. Mater Sci Eng A 2019;766:138330 .

[90] Liu X , Zhao C , Zhou X , et al. Microstructure of selective laser melted AlSi10Mg alloy. Mater Des 2019;168:107677 .

[91] Zhang H , Gu D , Yang J , et al. Selective laser melting of rare earth element Sc mod- ified aluminum alloy: thermodynamics of precipitation behavior and its influence on mechanical properties. Addit Manuf 2018;23:1–12 .

[92] Li R , Wang M , Li Z , et al. Developing a high-strength Al-Mg-Si-Sc-Zr alloy for selec- tive laser melting: crack-inhibiting and multiple strengthening mechanisms. Acta Mater 2020;193:83–98 .

[93] Jia Q , Zhang F , Rometsch P , et al. Precipitation kinetics, microstructure evolution and mechanical behavior of a developed Al–Mn–Sc alloy fabricated by selective laser melting. Acta Mater 2020;193:239–51 .

[94] Yu WH , Sing SL , Chua CK , et al. Particle-reinforced metal matrix nanocompos- ites fabricated by selective laser melting: a state of the art review. Prog Mater Sci 2019;104:330–79 .

[95] Gu D , Chen H , Dai D , et al. Carbon nanotubes enabled laser 3D printing of high-performance titanium with highly concentrated reinforcement. iScience 2020;23:101498 .

 [96] Lin K , Fang Y , Gu D , et al. Selective laser melting of graphene reinforced titanium matrix composites: Powder preparation and its formability. Adv Powder Technol 2021;32:1426–37 .

[97] Sing SL , Huang S , Goh GD , et al. Emerging metallic systems for additive manufac- turing: in-situ alloying and multi-metal processing in laser powder bed fusion. Prog Mater Sci 2021;119:100795 .

 [98] Gu D , Yang Y , Xi L , et al. Laser absorption behavior of randomly packed powder-bed during selective laser melting of SiC and TiB 2 reinforced Al matrix composites. Opt Laser Technol 2019;119:105600 .

[99] Xi L , Ding K , Gu D , et al. Interfacial structure and wear properties of selective laser melted Ti/(TiC + TiN) composites with high content of reinforcements. J Alloys Compd 2021;870:159436 .

[100] Zhang H , Gu D , Ma C , et al. Understanding tensile and creep properties of WC reinforced nickel-based composites fabricated by selective laser melting. Mater Sci Eng A 2021;802:140431 .

[101] Rong T , Gu D . Formation of novel graded interface and its function on mechanical properties of WC 1-x reinforced Inconel 718 composites processed by selective laser melting. J Alloys Compd 2016;680:333–42 .

 [102] Song P , Xu Z , Dargusch MS , et al. Granular nanostructure: a facile biomimetic strategy for the design of supertough polymeric materials with high ductility and strength. Adv Mater 2017:1704661 .

[103] Skylar-scott MA , Mueller J , Visser CW , et al. Voxelated soft matter via multimaterial multinozzle 3D printing. Nature 2019;575:330–5 .

[104] Dolinski ND , Page ZA , Callaway EB , et al. Solution mask liquid lithography (SMaLL) for one-step, multimaterial 3D printing. Adv Mater 2018;30:1800364 .

[105] Yao H , Dao M , Imholt T , et al. Protection mechanisms of the iron-plated armor of a deep-sea hydrothermal vent gastropod. Proc Natl Acad Sci USA 2010;107:987–92 .

[106] Bandyopadhyay A , Heer B . Additive manufacturing of multi-material structures. Mater Sci Eng R 2018;129:1–16 .

[107] Hu K , Lin K , Gu D , et al. Mechanical properties and deformation behavior un- der compressive loading of selective laser melting processed bio-inspired sandwich structures. Mater Sci Eng A 2019;762:138089 .

[108] Gu D , Du L , Dai D , et al. Influence of thermal behavior along deposition direction on microstructure and microhardness of laser melting deposited metallic parts. Appl Phys A 2019;125:455 .

 [109] Captiva, Tirbolox-c titanium cervical cage (https://www.captivaspine.com/ ). 2019.

[110] Todaro CJ , Easton MA , Qiu D , et al. Grain structure control during metal 3D print- ing by high-intensity ultrasound. Nat Commun 2020;11:142 .

[111] Harrington MJ , Masic A , Holten-Andersen N , et al. Iron-clad fibers: a metal-based biological strategy for hard flexible coatings. Science 2010;328:216–20 .

[112] Gan Z , Kafka OL , Parab N . Universal scaling laws of keyhole stability and porosity in 3D printing of metals. Nat Commun 2021;12:2379 .

[113] Zhao C , Parab ND , Li X , et al. Critical instability at moving keyhole tip generates porosity in laser melting. Science 2020;370:1080–6 .

[114] Pham MS , Dovgyy B , Hooper PA , et al. The role of side-branching in microstructure development in laser powder-bed fusion. Nat Commun 2020;11:749 .

 [115] DebRoy T, Wei HL, Zuback JS, et al. Additive manufacturing of metallic compo- nents –Process, structure, and properties. Prog Mater Sci 2018; 92:112–224.

 [116] Mukherjee T, Zuback JS, De A, et al. Printability of alloys for additive manufactur- ing. Sci Rep 2016; 6:19717.

[117] Kantzos CA, Cunningham RW, Tari V, et al. Characterization of metal additive manufacturing surfaces using synchrotron X-ray CT and micromechanical model- ing. Comput Mech 2018; 61:575–80.

[118] Niu HJ, Chang ITH. Instability of scan tracks of selective laser sintering of high-speed steel powder. Scr Mater 1999; 41:1229–34.

[119] Boutaous M, Liu X, Siginer DA, et al. Balling phenomenon in metallic laser-based 3D printing process. Int J Therm Sci 2021; 167:107011.

[120] Calignano F. Investigation of the accuracy and roughness in the laser powder bed fusion process. Virtual Phys Prototyp 2018; 13:97–104.

[121] Delfs P, T ̈ows M, Schmid HJ. Optimized build orientation of additive manufactured parts for improved surface quality and build time. Addit Manuf 2016; 12:314–20.

[122] Lin K, Yuan L, Gu D. Influence of laser parameters and complex structural fea- tures on the bio-inspired complex thin-wall structures fabricated by selective laser melting. J Mater Process Technol 2019; 267:34–43.

[123] Ma C, Gu D, Lin K, et al. Selective laser melting additive manufacturing of cancer pagurus’s claw inspired bionic structures with high strength and toughness. Appl Surf Sci 2019; 469:647–56.

[124] Tancogne-Dejean T , Spierings AB , Mohr D . Additively manufactured metallic mi- cro-lattice materials for high specific energy absorption under static and dynamic loading. Acta Mater 2016;116:14–28 .

[125] Zhang L , Feih S , Daynes S , et al. Energy absorption characteristics of metallic triply periodic minimal surface sheet structures under compressive loading. Addit Manuf 2018;23:505–15 .

[126] Maskery I , Aremu AO , Parry L , et al. Effective design and simulation of sur- face-based lattice structures featuring volume fraction and cell type grading. Mater Des 2018;155:220–32 .

 [127] Balaji G , Annamalai K . Crushing response of square aluminium column filled with carbon fibre tubes and aluminium honeycomb. Thin Walled Struct 2018;132:667–81 .

[128] Lee S , Novitskaya EE , Reynante B , et al. Impact testing of structural biological materials. Mater Sci Eng C 2011;31:730–9 .

[129] Ingrole A , Aguirre TG , Fuller L , et al. Bioinspired energy absorbing material designs using additive manufacturing. J Mech Behav Biomed Mater 2021;119:104518 .

[130] Chen BC , Zou M , Liu GM , et al. Experimental study on energy absorption of bionic tubes inspired by bamboo structures under axial crushing. Int J Impact Eng 2018;115:48–57 .

 [131] Zhang Y , Liu T , Ren H , et al. Dynamic compressive response of additively manufactured AlSi10Mg alloy hierarchical honeycomb structures. Compos Struct 2018;195:45–59 .

[132] Lin K , Gu D , Hu K , et al. Laser powder bed fusion of bio-inspired honeycomb structures: effect of twist angle on compressive behaviors. Thin Walled Struct 2021;159:107252 .

[133] MacDonald E , Wicker R . Multiprocess 3D printing for increasing component func- tionality. Science 2016;353:aaf2093 . [134] Dawson C , Vincent JFV , Jeronimidis G , et al. Heat transfer through penguin feath- ers. J Theor Biol 1999;199:291–5 . [135] Stegmaier T , Linke M , Planck H . Bionics in textiles: Flexible and translucent thermal insulations for solar thermal applications. Philos Trans R Soc A 2009;367:1749–58 .

[136] Heer B , Zhang Y , Bandyopadhyay A . Processing and thermal diffusivity mea- surements of compositionally graded Al-12Si to Al 2 O 3 structures. Mater Lett 2021;290:129466 .

[137] Takezawa A , Kobashi M , Koizumi Y , et al. Porous metal produced by selective laser melting with effective isotropic thermal conductivity close to the Hashin–Shtrik- man bound. Int J Heat Mass Transf 2017;105:564–72 .

[138] Wang R , Gu D , Chen C , et al. Formation mechanisms of TiB 2 tracks on Ti6Al4V alloy during selective laser melting of ceramic-metal multi-material. Powder Technol 2020;367:597–607 .

[139] Yang W , Chen IH , Gludovatz B , et al. Natural flexible dermal armor. Adv Mater 2013;25:31–48 .

[140] Islam MK, Hazell PJ, Escobedo JP, et al. Biomimetic armour design strategies for additive manufacturing: a review. Mater Des 2021; 205:109730.

[141] McKittrick J, Hatton RL, Porter MM, et al. Why the seahorse tail is square. Science 2015;349:aaa6683.

[142] Johnson AA, Bingham GA, Majewski CE. The design and assessment of bio-in- spired additive manufactured stab-resistant armour. Virtual Phys Prototyp 2018; 13:49–57.

[143] Liu G, Zhao Y, Wu G, et al. Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramic structures. Sci Adv 2018;4: eaat0641.

[144] Cheng T, Thielen M, Poppinga S, et al. Bio-inspired motion mechanisms: compu- tational design and material programming of self-adjusting 4D-printed wearable systems. Adv Sci 2021:2100411.

[145] Zhang M, Yu Q, Liu Z, et al. 3D printed Mg-NiTi interpenetrating-phase composites with high strength, damping capacity, and energy absorption efficiency. Sci Adv 2020;6: eaba5581.

[146] Bayati P, Jahadakbar A, Barati M, et al. Toward low and high cycle fatigue behavior of SLM-fabricated NiTi: considering the effect of build orientation and employing a self-heating approach. Int J Mech Sci 2020; 185:105878.

[147] Wei Q, Li H, Liu G, et al. Metal 3D printing technology for functional integration of catalytic system. Nat Commun 2020; 11:4098.