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導(dǎo)讀：本文主要介紹了多材料增材制造聚合物、金屬-金屬多材料以及金屬-陶瓷多材料打印的應(yīng)用，同時(shí)還討論了多材料打印的優(yōu)缺點(diǎn)。

增材制造又叫3D打印，是一種革命性的制造技術(shù)，可以快速、經(jīng)濟(jì)的制造出復(fù)雜形狀的制品。許多商業(yè)部門如汽車、航空航天、醫(yī)療甚至是食品工業(yè)部門均在開始大量采用這一技術(shù)。盡管這一技術(shù)促進(jìn)了單一材料的應(yīng)用效能，制造業(yè)界也在不斷發(fā)生著變革。如3D打印可以實(shí)現(xiàn)打印用戶所設(shè)定的期望性能的多材料。這就意味著，可以通過單一部件，實(shí)現(xiàn)硬度、耐蝕性和環(huán)境適應(yīng)性等在最需要呈現(xiàn)這一性能的區(qū)域呈現(xiàn)出來。這一工藝可以使得采用制造的多功能部件采用傳統(tǒng)工藝不可能制造出來，也不可能采用單一材料制造出來。增材制造陶瓷、金屬、聚合物等正在研究如何通過多材料打印實(shí)現(xiàn)制造。并且已經(jīng)打印出許多以前不可能打印出來的產(chǎn)品。然而，多材料打印尚處于發(fā)展的初期，研究人員還剛剛將其目光投向這一高新技術(shù)，且表明該技術(shù)的確優(yōu)于傳統(tǒng)的多材料制造技術(shù)且正致力于實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。本文則綜述了3D打印多材料的現(xiàn)狀。

圖1 傳統(tǒng)制造工藝同3D打印多材料工藝的對比圖

增材制造（又叫3D打印）技術(shù)在技術(shù)革新方面包含三個(gè)層面的思想：通用、實(shí)用和效用。當(dāng)你考慮3D打印如何通用時(shí)，你考慮的是3D打印技術(shù)對現(xiàn)有生產(chǎn)格局的影響以及造成的影響是否顯著。作為打印金屬、陶瓷和聚合物來說，三者之間的差別太過巨大。為了能夠夠讓大家易于想象，我們采用大家最能發(fā)揮想象力和引起興趣的食品打印為例。以食品為例，將你想要打印的想法上傳到打印機(jī)，然后這一想法就會在你面前呈現(xiàn)出來并打印出來你所期望的樣子。然而，這已經(jīng)不再是科幻電影中的場景了。披薩、復(fù)雜形狀的巧克力，甚至是餅干均可以打印出來，而且?guī)缀醪焕速M(fèi)材料。這充分顯示出該技術(shù)的有用性和有效性。3D打印作為一種提供個(gè)性化服務(wù)的產(chǎn)品，即使是在廚房都可以輕易隨時(shí)打印出獨(dú)特的、令人垂涎的食品來。

作為一種已經(jīng)應(yīng)用于食品工業(yè)中的個(gè)性化打印設(shè)備來說，其應(yīng)用觸角已經(jīng)延伸到許多其他個(gè)性化的領(lǐng)域。如Nike已經(jīng)公開展示并銷售了不僅質(zhì)量輕而且獨(dú)具個(gè)性化的足球鞋。通用電氣則使用3D打印制造了飛機(jī)CFM發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴。這一革命性的應(yīng)用，將原來18個(gè)零件組合變革成一個(gè)零件，而且還減重了25%。在醫(yī)療領(lǐng)域，患者已經(jīng)享受到個(gè)性化打印醫(yī)療器械所帶來的便利。這些個(gè)性化定制的醫(yī)療植入物更適合患者的康復(fù)和骨的長入，從而顯著降低了手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和提高整體植入物的性能。

圖2 多材料打印聚合物的案例

如今，3D打印多材料已經(jīng)遠(yuǎn)勝傳統(tǒng)的單一材料的服役效果，并取得了令人矚目的成績。這些3D打印出來的產(chǎn)品具有材料-資源節(jié)約型、部件或產(chǎn)品具有靈活設(shè)計(jì)和自由制造、減少制造周期和提高了產(chǎn)品性能的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)這些多材料打印的部件可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀和增加特殊性能的效果。

圖3 多材料打印金屬的案例

以已經(jīng)商業(yè)化應(yīng)用的巧克力打印為例，該設(shè)備可以依據(jù)你所設(shè)想的，自由調(diào)配黃油、奶油、牛軋?zhí)?、花生等，設(shè)計(jì)出個(gè)性化的巧克力，然后打印出來。這一設(shè)想和步驟，其原理同多材料打印工程材料的理念是一樣的。所不同的是，打印巧克力時(shí)添加的花生到奶糖中的過程變成了添加陶瓷到金屬中來增加材料的表面硬度。表面涂加的黃油換成了生物相容性涂層以提高人體植入物同人體的生物相容性。這一增加的功能是多材料3D打印發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力，而某一特定區(qū)域的功能可以在用戶設(shè)計(jì)的時(shí)候用以提高產(chǎn)品的特殊性能。

圖4 多材料金屬打印的案例圖

圖1為傳統(tǒng)制造工藝和3D打印工藝的對比，傳統(tǒng)制造工藝必須先單獨(dú)制造出部件來然后在通過后期的連接將其組合成一個(gè)整體。這一過程同傳統(tǒng)工藝制作巧克力是一樣的繁瑣復(fù)雜。對多材料打印來說，打印復(fù)合梯度材料或漸變材料可以在一個(gè)機(jī)器中完成。聚合物材料的3D打印系最早應(yīng)用的多材料打印案例。主要是因?yàn)樵摬牧洗蛴r(shí)相對簡單而且相互間兼容性也比較好。多顏色的打印制品，如自行車頭盔、足球頭盔、防護(hù)手套等，均可以在滿足使用功能的前提下讓該物品變得更加多姿多彩，如圖2所示。同時(shí)打印出的多材料打印制品，可以隨環(huán)境變化而發(fā)生變化，這就是3D打印中的黑科技4D打印。盡管多材料3D打印的部件如此令人激動(dòng)人心，他們大多用作概念原型來證明該多材料系統(tǒng)、功能的可行性。當(dāng)然，也只有經(jīng)歷了這一原型階段之后，多材料打印才會開始真正走進(jìn)制作多材料金屬復(fù)合材料打印的發(fā)展時(shí)期。3D打印單一材料已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用階段。多材料打印中獨(dú)特的連接方式使得多材料打印同傳統(tǒng)制造工藝相比沒有焊縫存在，從而有效避免或減少了應(yīng)力集中帶來的危害。同時(shí)多材料打印時(shí)使用的原材料基本是粉末，使得傳統(tǒng)工藝中兩者不易混合的工藝也變得十分容易。

圖5 增減材復(fù)合制造工藝

多材料打印時(shí)展現(xiàn)出來的獨(dú)特的魅力，不僅可以將兩種不同的材料實(shí)現(xiàn)100%的混合，同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)件性能的均一性。這一理念導(dǎo)致了打印In718 和GRCoP-84復(fù)合材料，這是一種無磁性和有磁性的不銹鋼，Nb在Ti6Al4V中混合比例不同等，如圖3。多材料打印還可以通過添加不同的物相而改變金屬的性質(zhì)，如二次金屬強(qiáng)化相。而且通過控制不同的添加量，還可以控制產(chǎn)品的性能。

圖6 激光粉末床打印MS1（馬氏體不銹鋼）-H13（熱作模具鋼）多材料的示意圖

由于多材料打印可以一次成型且制造特定區(qū)域具有特殊性能的制品而成為非常有影響力和吸引力的技術(shù)。先進(jìn)的金屬多材料打印可以通過金屬-金屬、金屬-陶瓷混合而實(shí)現(xiàn)特定區(qū)域的獨(dú)特性能。同傳統(tǒng)的局限于焊接結(jié)構(gòu)相比，采用多材料打印就很容易實(shí)現(xiàn)功能、梯度材料的制備以提高其服役性能。金屬-陶瓷材料的多材料打印，如SiC在Ti6Al4V中。同理VC在不不銹鋼中，Ti6Al4V-Al2O3 中的功能梯度材料等。沉積100%的Al2O3 在Al2O3 基材中，然后逐漸過渡到打印不銹鋼，在過渡到打印Ti，已經(jīng)被證明有多種用途。最終還有原位合成TiB-TiN增強(qiáng)的Ti6Al4V合金等。

圖7 多材料打印MS1-H13時(shí)界面處的EBSD圖（文獻(xiàn)2）

多材料打印是一種先進(jìn)的3D打印技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)全組裝或者免組裝，是制備新材料和可控材料的高新技術(shù)。獨(dú)特的層層堆積3D打印技術(shù)，使得多材料打印可控、梯度增加、個(gè)性化定制成為可能。多材料打印是一種革命性的新技術(shù)，會在不久的將來度我們的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生革命性的影響。

圖8激光打印多材料的示意圖和實(shí)物圖 （文獻(xiàn)2）

圖9 多材料金屬打印的柱塞，從100%不銹鋼到100%VC，文獻(xiàn)3

本文來源：https://doi.org/10.1016/j.mser.2018.04.001,Additive manufacturing of multi-material structures,Amit Bandyopadhyay,Bryan Heer. Materials Science and Engineering: R: Reports, Volume 129, July 2018, Pages 1-16

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2.https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2019.108888，Laser additive manufacturing of TA15 - Inconel 718 bimetallic structure via Nb/Cu multi-interlayer，Vacuum，Volume 169, November 2019, 108888

3.https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.11.007，Additive manufacturing of compositionally gradient metal-ceramic structures: Stainless steel to vanadium carbide.Thomas Gualtieri,Amit Bandyopadhya. Materials & Design,Volume 139, 5 February 2018, Pages 419-428.