如何使用粉末沉積工藝製造便宜、可擴展的多材料3D列印？

最近，3D列印公司Aerosint的工程師發表了一篇文章，概述了該公司對多材料3D列印未來的看法。正如3D虎在1月份所報道的那樣，比利時SLS專家嘗試開發列印多種材料的3D印表機，而且這項技術的進一步發展可能會對製造業轉型產生積極效應。

多材料3D列印對於3D列印技術的未來以及開發這種技術的公司來說非常重要，因為大多數產品往往是由多種材料製成的。在同一系統同時3D列印不同材料變得更加容易之前，該技術的大規模生產應用仍將局限於過時元件的反向工程替換等。

目前在可擴展性和經濟性方面難以實現多材料3D列印。3D列印多種材料的最常用方法之一就是複合材料。複合材料實際上是兩種不同的材料以各種方式結合在一起，例如，這使它們具有兩種材料的特性的組合，例如高耐熱性和機械強度。金屬合金或纖維增強聚合物是這種複合材料的很好例子。

功能分級材料（FGM）可以說是Aerosint文章中稱為複合材料世界中的最佳類型的複合材料。代替通常情況下分布在整個基礎材料中的增強材料，FGM由兩種或兩種以上材料組成，每種材料之間有漸變界面，從一個平滑過渡到另一個。與兩種材料之間的明顯界限處的濃度相比，這提供了更好的機械、熱和化學應力分布，這也將導致弱點。

FGM在非常高的熱應力、機械應力或化學應力的極端環境中非常有用，但單一材料部件將不可避免地失效。在FGM中，每種材料的機械、熱學或化學優勢有效地抵消了另一種材料的缺點。

大多數3D列印技術都能夠以這種或那種方式創建FGM。FDM 3D列印技術可以將多種聚合物熔合在一起，形成多層擠出系統。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合起來生產出先進概念輪胎，該輪胎在其整個結構中具有非常不同的彈性。然而，這種方法在規模和速度方面仍然有限。大規模生產的需求意味著FDM仍然局限於生產原型。

更先進的3D列印技術-直接金屬沉積（DMD）可以生產具有接近連續梯度的金屬-金屬和金屬-陶瓷FGM複合材料。這種方法的缺點是費用昂貴且費時。技術本身花費很多，而且還需後期的維護，每個部分必須一次一個。材料浪費是另一個嚴重問題，DMD的浪費率約為70％。

在未來，FGM零件的有效、可擴展、可負擔得起的生產可能是SLS或SLM3D列印技術。這些粉末床技術快速，相對便宜，並且能夠生產各種尺寸的批次。然而，他們一直大規模製造FGM複合材料的方法尚未得到證實。使用粉末床融合技術創建FGM複合材料的關鍵是與雙材料共燒結相結合的多粉末沉積系統，可在列印過程中提供體素級控制。Aerosint公司正在沿著這些路線開發一些產品，並且迄今為止已經實現了雙粉末沉積。理論上，材料的數量是無限的，只要流動性和粒度分布與SLS工藝兼容，粉末可以是聚合物、金屬或陶瓷。

如果要實現3D列印中多材料複合材料的集成，這可能意味著增材製造的可能性的巨大擴展。每一個製造業都將從新一代價格合理的零部件中受益，這些零部件具有複雜的幾何形狀和先進的材料屬性，能夠按需快速生產。

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