机械|多材料结构的增材制造（3）( 四 ) 打印机|生物医学|激光器

在该图中，蓝色区域被计算为所有单相奥氏体，由于没有脆性相，这简化了构建。
特别是一种DLD系统，即LENS ，已被用于在不同的锡浓度下制造Ti6Al4V锡增强和锆基涂层。当Ti与Ti6Al4V基体反应时，反应层出现在颗粒和基体的边界上，快速冷却导致细小的TiN沉淀形成，与针状α-马氏体相混合。在Ti6Al4V中添加40%的锡后，观察到更精细的微观结构和超过150%的硬度增加。通过在氮环境中扫描钛板表面的激光，同时沉积纯硅，还制备了原位Ti-Si-N表面涂层。当激光熔化表面时，钛和硅与环境中的氮结合，形成坚硬的陶瓷相。与使用其他工艺沉积的其他Ti-Si-N涂层相比，该涂层具有非常高的硬度和耐磨性。
基于高硬度，涂层可分为90%Ti-10%Si-N涂层（2093.67?±?144 HV0.2)?>?100%Ti-N涂层（1846?±?68.5 HV0.2)?>?75%Ti-25%Si-N涂层（1375.3?±?61.4HV0.2). 在75%Ti-25%Si-N涂层的情况下，从相分析中可以清楚地看到原位形成的Si3N4相。同样， SiC颗粒增强的钛也在原位生成，在α-钛和Ti5S3/Ti相中形成了多面的钛硅化物Ti5S3颗粒，从而产生非常高的硬度和增加的干、湿耐磨性（图5p ， q）。通过在沉积之前先将Ti6Al4V和氮化硼（BN）预混合，还通过透镜制备了原位合成的TiB-TiN增强涂层。一旦暴露在激光的高热能下， BN与Ti6Al4V反应生成TiB和TiN增强相，与原始Ti6Al4V基底相比，表面硬度增加了近5倍。这是通过向混合物中添加15%的BN实现的。最低磨损率为1.90?×?10?6.?Ti6Al4V-15BN复合涂层显示出mm3/Nm ，甚至低于用于承重植入物关节表面的商用CoCrMo合金。
此外，反应过程已导致一种独特的方法，即在钛上制备用于髋关节和膝关节植入物的Zr/ZrO2涂层。通过在Zr涂层上运行Nd:YAG激光器，以及向建筑环境中引入不同数量的氧气， Zr和氧气之间发生反应过程，并产生ZrO2相，该相将磨损率降低近两个数量级，并将硬度提高到～与原始钛材料硬度相比，硬度为700HV～200HV 。氧化膜由t-ZrO2和m-ZrO2相组成。较高的t-ZrO2含量由于其较高的表面能而降低了摩擦系数和磨损率。由于这项研究是为生物医学应用而进行的，因此还进行了体外细胞培养实验，以测量该系统在生物环境中的相互作用程度，并证明在ZrO2相存在的情况下，成骨细胞粘附增强。这些反应性AM工艺展示了MM-AM工艺如何在一个重要应用的连续制造工艺中提高现有材料的机械、结构和整体性能的另一个视角。
7. 未来趋势及总结
由于MM-AM包含更多的功能，可以安全地假设未来的MM-AM技术甚至可能不需要打印机生产进入系统的所有材料。 HAM加工已经引起了学术界和工业界的广泛关注，因为其多材料、多功能的功能真正允许制造和通常认为的后期生产同时进行。
与MM-AM 糖果棒类似，通过AM按需制作单一材料的糖果棒目前是可行的，添加焦糖、牛轧糖和花生酱涂层是一个可以在不久的将来实现的愿景。虽然这无疑是在增加功能，但想象一下在糖果棒的中心添加一个支持Wi-Fi的温度传感器，您可以连接到它并接收动态反馈。这种反馈可以向支持Wi-Fi的设备（如手机）提供信号，并在糖果变得太热或太冷并开始变质时提醒您。现在，就像在3D打印食物声音中安装传感器一样不切实际，它可以作为传感器集成糖果的类比，作为一个非常实用的智能MM-AM系统，可以在特定环境中向用户提供反馈。如图9所示， HAM与3D打印机中的预制组件相结合，可以在一个连续的过程中生产尺寸精确的智能系统。这可能会产生AM髋部干植入物，该植入物带有传感器，可以不断监测植入物与组织之间的相互作用，以了解感染和应力水平，从而进行实时性能分析。类似地， AM发动机缸体中集成的温度传感器或应变计可以产生一个动态系统，不断提供结构性能反馈。