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如今，3D打印技術(shù)的可成形材料雖仍然很少但也日益廣泛，一些頂尖的科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)再開(kāi)始尋找該技術(shù)下一階段的發(fā)展?jié)摿?，其中之一就是開(kāi)發(fā)多材料部件——根據(jù)需要打印出兩種或多種材料。使用具有不同物理特性的多種材料的3D打印，將為高度復(fù)雜、輕量級(jí)的組件制造提供前所未有的設(shè)計(jì)自由度，從而為工業(yè)應(yīng)用創(chuàng)造新的發(fā)展高度。

多材料3D打印部件

為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，多家頂尖的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的多材料組件3D打印技術(shù)，這些組件可定制的機(jī)械、電氣、熱和磁特性，能夠用于汽車(chē)和航空航天工業(yè)。多材料3D打印技術(shù)的可實(shí)施工藝種類(lèi)很多，本文主要介紹的是被廣泛關(guān)注的采用粉末床激光熔融工藝實(shí)現(xiàn)多材料金屬3D打印，相對(duì)來(lái)說(shuō)，該工藝面臨復(fù)雜的過(guò)程控制問(wèn)題。

增材制造技術(shù)前沿注意到，目前從事該技術(shù)研究的知名團(tuán)隊(duì)有Aerosint公司、歐洲Fraunhofer IGCV團(tuán)隊(duì)以及Leap71等。

用于SLM的多材料體系選擇原則

多材料3D打印仍然是一項(xiàng)新興技術(shù)，對(duì)工藝的理解非常有限，特別是對(duì)于材料界面，在選擇可以進(jìn)行多材料一體成形的材料體系時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮如下因素：

關(guān)鍵因素1：應(yīng)當(dāng)選擇冶金相容的材料，以避免在熔合邊界處形成脆性相。由于SLM過(guò)程中出現(xiàn)的高溫度梯度和殘余應(yīng)力，這些相會(huì)導(dǎo)致裂紋萌生。

關(guān)鍵因素2：材料的熱膨脹系數(shù)，不匹配的溫度依賴(lài)性變形會(huì)導(dǎo)致界面及其附近局部高應(yīng)力。

其他重要因素：包括熔點(diǎn)差異、粉末污染和熱處理等。

從可制造性的角度來(lái)看，用相同的基材(例如不同類(lèi)型的鋼、鈦和性能不同的鋁)組合制造是簡(jiǎn)單的。通常，這些材料在處理窗口中有很多重疊；換句話說(shuō)，現(xiàn)有的同類(lèi)型材料的激光參數(shù)可以相互適用。在這種情況下，沒(méi)有必要為材料界面開(kāi)發(fā)獨(dú)特的掃描策略。

Aerosint公司已開(kāi)發(fā)的多材料一體成形體系

經(jīng)過(guò)仔細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)有些鋼可以以同樣的方式與鉻鎳合金結(jié)合。鉻鎳合金在高溫下具有優(yōu)異的抗氧化、耐腐蝕和抗蠕變性能。這些材料通常比鋼更貴，所以用鋼替換一些鉻鎳鐵合金可以降低零件的成本。這可能被用于能源、石油和天然氣以及航空航天工業(yè)。

一款采用SLM技術(shù)打印的一體化鋼-銅散熱器，由高導(dǎo)熱系數(shù)銅合金和結(jié)構(gòu)材料制成的多材料部件在熱管理方面具有廣泛的應(yīng)用。熱交換器和冷卻元件常用于數(shù)據(jù)中心、汽車(chē)、化學(xué)工業(yè)、燃燒裝置、模具、鑲件等。對(duì)于注塑行業(yè)來(lái)說(shuō)，冷卻時(shí)間的縮短可以加快整個(gè)生產(chǎn)周期。對(duì)于較小的模具鑲件，隨形冷卻通道的空間非常有限，因此在鑲件內(nèi)部使用銅材料成為加速散熱的唯一方法。

SLM 3D打印的銅-鋼一體結(jié)構(gòu)散熱器

另一個(gè)有前景的應(yīng)用是由銅合金和鉻鎳鐵合金組成的的夾套推力室。NASA一直試圖通過(guò)結(jié)合SLM和直接能量沉積(DED)的混合方法制造這種雙金屬部件。原則上，多材料SLM技術(shù)可以取代這種混合工藝。由帕德博恩大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的歐洲研究團(tuán)隊(duì)基于MADE-3D項(xiàng)目正在開(kāi)展多材料SLM成形技術(shù)，其組成成員還包括SLM Solutions，F(xiàn)raunhofer鑄造研究所、復(fù)合材料和加工技術(shù)研究所(IGCV），賽峰，法國(guó)原子能委員會(huì)等共八個(gè)國(guó)家的重要機(jī)構(gòu)。

3D打印的多材料零件

Fraunhofer IGCV 制造的多材料組件

該項(xiàng)目的資金支持達(dá)到670萬(wàn)歐元，該團(tuán)隊(duì)近期展示了其采用SLM技術(shù)3D打印的多材料夾套推力室——由材料CW106C（銅合金）和1.2709（鋼）制成具有集成冷卻通道的縮比火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，但將粉末完全混合在一起很明顯不能作為未來(lái)技術(shù)的發(fā)展需求。

SLM多材料3D打印的鋪粉方式

Fraunhofer IGCV的方法是使用靜電力將粉末選擇性的吸附到板上，然后將其放置在帶相反電荷的打印床上。具體的實(shí)施過(guò)程可以查看文末視頻，工藝過(guò)程的實(shí)施細(xì)節(jié)可以參考《Electrostatic powder attraction for the development of a novel recoating system for metal powder bed-based additive manufacturing》。

SLM多材料3D打印粉末分離很困難

Fraunhofer IGCV靜電吸附機(jī)構(gòu)

與靜電吸附鋪粉方式不同的是，Aerosint使用可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓施加不同粉末。但作為工藝可持續(xù)性的一部分，當(dāng)涉及到基于粉末床的增材制造工藝時(shí)，粉末回收是一個(gè)普遍關(guān)注的問(wèn)題。Aerosint公司提供了一種可行的方法來(lái)應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，只需使用足夠的粉末來(lái)建造組件，支撐粉末床的部分可以使用失效的粉或者回收但不能再使用的粉末或其他低成本粉末。這就需要在系統(tǒng)中加入第三個(gè)轉(zhuǎn)鼓，這在技術(shù)上是可行的。在這種情況下，可以降低粉末回收的高額成本。

帶有三個(gè)轉(zhuǎn)鼓的Aerosint新一代鋪粉機(jī)構(gòu)

這種策略的首要考慮因素不是試圖回收混合粉末，而是首先避免材料浪費(fèi)——通過(guò)在無(wú)零件實(shí)體的位置填充第三種材料實(shí)現(xiàn)粉床構(gòu)成。與兩種材料相比，填充材料不會(huì)熔合或結(jié)合到零件中，在打印過(guò)程結(jié)束時(shí)，所有填充材料都將被回收并在下一個(gè)構(gòu)建作業(yè)中重新使用，從而防止任何類(lèi)型的浪費(fèi)。

Aerosint開(kāi)發(fā)多材料散熱器

Aerosint稱(chēng)其新一代鋪粉系統(tǒng)可將粉末回收率提升至100%，即只在實(shí)體零件有需要的位置施加粉末，其他位置施加便宜的填充粉末，就如同粘結(jié)劑噴射技術(shù)僅在實(shí)體零件處噴墨一樣。按照這種方式，F(xiàn)raunhofer IGCV也可基于靜電吸附技術(shù)施加填充粉末。

多材料SLM技術(shù)要解決的問(wèn)題

從技術(shù)的角度來(lái)看，為了提高工業(yè)化過(guò)程的穩(wěn)健性和可靠性，仍有許多努力要做。

首先，鋪粉速度需要提高到單材料SLM工藝中常用的速度。

第二，某些應(yīng)用可能涉及較小的特征尺寸，但工業(yè)客戶的一大需求是擴(kuò)大機(jī)器尺寸，以制造大型部件。

第三，監(jiān)控工具在SLM過(guò)程中對(duì)提高過(guò)程控制和產(chǎn)品質(zhì)量非常重要，粉末床質(zhì)量監(jiān)測(cè)和熔池監(jiān)測(cè)等方法對(duì)多材料SLM工藝也至關(guān)重要。

第四，激光路徑和多材料粉末床之間的對(duì)準(zhǔn)對(duì)于使用順序掃描策略處理不同材料尤為關(guān)鍵。

最后，需要修改和定制整個(gè)工作流程，以部署多材料SLM打印過(guò)程。從增材制造設(shè)計(jì)開(kāi)始，第二種材料的使用增加了生成設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，因?yàn)樵诮缑嫔洗嬖诟鄟?lái)自工藝、材料相互作用和性能轉(zhuǎn)變的限制。構(gòu)建文件的切片和準(zhǔn)備需要在軟件中開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)新功能。材料具有不同的強(qiáng)度和硬度，這會(huì)影響后處理步驟，如表面精加工和支撐去除。

結(jié)束

與超材料類(lèi)似，一些新成分可以表現(xiàn)出在自然存在的材料中無(wú)法找到的特性。研究人員用數(shù)學(xué)方法建立了不同的設(shè)計(jì)模型。通常，這些模型具有復(fù)雜的幾何形狀，并涉及兩種或多種可以由SLM技術(shù)制造的材料。

多材料3D打印是制造具有更高集成功能的高性能部件的理想方法，這些組件將加速綠色制造的進(jìn)程，并徹底改變產(chǎn)品創(chuàng)新過(guò)程。