如何使用粉末沉積工藝制造便宜，可擴(kuò)展的多層材料3D打印

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最近，3D打印公司Aerosint的工程師發(fā)表了一篇文章，概述了該公司對(duì)多材料3D打印未來的看法。正如此前媒體報(bào)道的那樣，比利時(shí)SLS專家嘗試開發(fā)打印多種材料的3D打印機(jī)，而且這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展可能會(huì)對(duì)制造業(yè)轉(zhuǎn)型產(chǎn)生積極效應(yīng)。

多材料3D打印對(duì)于3D打印技術(shù)的未來以及開發(fā)這種技術(shù)的公司來說非常重要，因?yàn)榇蠖鄶?shù)產(chǎn)品往往是由多種材料制成的。在同一系統(tǒng)同時(shí)3D打印不同材料變得更加容易之前，該技術(shù)的大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用仍將局限于過時(shí)元件的反向工程替換等。目前在可擴(kuò)展性和經(jīng)濟(jì)性方面難以實(shí)現(xiàn)多材料3D打印。3D打印多種材料的最常用方法之一就是復(fù)合材料。復(fù)合材料實(shí)際上是兩種不同的材料以各種方式結(jié)合在一起，例如，這使它們具有兩種材料的特性的組合，例如高耐熱性和機(jī)械強(qiáng)度。金屬合金或纖維增強(qiáng)聚合物是這種復(fù)合材料的很好例子。

功能分級(jí)材料（FGM）可以說是Aerosint文章中稱為復(fù)合材料世界中的最佳類型的復(fù)合材料。代替通常情況下分布在整個(gè)基礎(chǔ)材料中的增強(qiáng)材料，F(xiàn)GM由兩種或兩種以上材料組成，每種材料之間有漸變界面，從一個(gè)平滑過渡到另一個(gè)。與兩種材料之間的明顯界限處的濃度相比，這提供了更好的機(jī)械、熱和化學(xué)應(yīng)力分布，這也將導(dǎo)致弱點(diǎn)。

FGM在非常高的熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力或化學(xué)應(yīng)力的極端環(huán)境中非常有用，但單一材料部件將不可避免地失效。在FGM中，每種材料的機(jī)械、熱學(xué)或化學(xué)優(yōu)勢(shì)有效地抵消了另一種材料的缺點(diǎn)。

大多數(shù)3D打印技術(shù)都能夠以這種或那種方式創(chuàng)建FGM。FDM 3D打印技術(shù)可以將多種聚合物熔合在一起，形成多層擠出系統(tǒng)。為了展示這種方法的可能性，米其林最近將不同的聚合物結(jié)合起來生產(chǎn)出先進(jìn)概念輪胎，該輪胎在其整個(gè)結(jié)構(gòu)中具有非常不同的彈性。然而，這種方法在規(guī)模和速度方面仍然有限。大規(guī)模生產(chǎn)的需求意味著FDM仍然局限于生產(chǎn)原型。

更先進(jìn)的3D打印技術(shù)-直接金屬沉積（DMD）可以生產(chǎn)具有接近連續(xù)梯度的金屬-金屬和金屬-陶瓷FGM復(fù)合材料。這種方法的缺點(diǎn)是費(fèi)用昂貴且費(fèi)時(shí)。技術(shù)本身花費(fèi)很多，而且還需后期的維護(hù)，每個(gè)部分必須一次一個(gè)。材料浪費(fèi)是另一個(gè)嚴(yán)重問題，DMD的浪費(fèi)率約為70％。

在未來，FGM零件的有效、可擴(kuò)展、可負(fù)擔(dān)得起的生產(chǎn)可能是SLS或SLM 3D打印技術(shù)。這些粉末床技術(shù)快速，相對(duì)便宜，并且能夠生產(chǎn)各種尺寸的批次。然而，他們一直大規(guī)模制造FGM復(fù)合材料的方法尚未得到證實(shí)。使用粉末床融合技術(shù)創(chuàng)建FGM復(fù)合材料的關(guān)鍵是與雙材料共燒結(jié)相結(jié)合的多粉末沉積系統(tǒng)，可在打印過程中提供體素級(jí)控制。Aerosint公司正在沿著這些路線開發(fā)一些產(chǎn)品，并且迄今為止已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了雙粉末沉積。理論上，材料的數(shù)量是無(wú)限的，只要流動(dòng)性和粒度分布與SLS工藝兼容，粉末可以是聚合物、金屬或陶瓷。