如何使用粉末沉积工艺实现便宜、可扩展的多材料3D打印？

最近，3D打印公司Aerosint的工程师发表了一篇文章，概述了该公司对多材料3D打印未来的看法。正如3D虎在1月份所报道的那样，比利时SLS专家尝试开发打印多种材料的3D打印机，而且这项技术的进一步发展可能会对制造业转型产生积极效应。

多材料3D打印对于3D打印技术的未来以及开发这种技术的公司来说非常重要，因为大多数产品往往是由多种材料制成的。在同一系统同时3D打印不同材料变得更加容易之前，该技术的大规模生产应用仍将局限于过时元件的反向工程替换等。

目前在可扩展性和经济性方面难以实现多材料3D打印。3D打印多种材料的最常用方法之一就是复合材料。复合材料实际上是两种不同的材料以各种方式结合在一起，例如，这使它们具有两种材料的特性的组合，例如高耐热性和机械强度。金属合金或纤维增强聚合物是这种复合材料的很好例子。

功能分级材料（FGM）可以说是Aerosint文章中称为复合材料世界中的最佳类型的复合材料。代替通常情况下分布在整个基础材料中的增强材料，FGM由两种或两种以上材料组成，每种材料之间有渐变界面，从一个平滑过渡到另一个。与两种材料之间的明显界限处的浓度相比，这提供了更好的机械、热和化学应力分布，这也将导致弱点。

FGM在非常高的热应力、机械应力或化学应力的极端环境中非常有用，但单一材料部件将不可避免地失效。在FGM中，每种材料的机械、热学或化学优势有效地抵消了另一种材料的缺点。

大多数3D打印技术都能够以这种或那种方式创建FGM。FDM 3D打印技术可以将多种聚合物熔合在一起，形成多层挤出系统。为了展示这种方法的可能性，米其林最近将不同的聚合物结合起来生产出先进概念轮胎，该轮胎在其整个结构中具有非常不同的弹性。然而，这种方法在规模和速度方面仍然有限。大规模生产的需求意味着FDM仍然局限于生产原型。

更先进的3D打印技术-直接金属沉积（DMD）可以生产具有接近连续梯度的金属-金属和金属-陶瓷FGM复合材料。这种方法的缺点是费用昂贵且费时。技术本身花费很多，而且还需后期的维护，每个部分必须一次一个。材料浪费是另一个严重问题，DMD的浪费率约为70％。

在未来，FGM零件的有效、可扩展、可负担得起的生产可能是SLS或SLM 3D打印技术。这些粉末床技术快速，相对便宜，并且能够生产各种尺寸的批次。然而，他们一直大规模制造FGM复合材料的方法尚未得到证实。使用粉末床融合技术创建FGM复合材料的关键是与双材料共烧结相结合的多粉末沉积系统，可在打印过程中提供体素级控制。Aerosint公司正在沿着这些路线开发一些产品，并且迄今为止已经实现了双粉末沉积。理论上，材料的数量是无限的，只要流动性和粒度分布与SLS工艺兼容，粉末可以是聚合物、金属或陶瓷。

如果要实现3D打印中多材料复合材料的集成，这可能意味着增材制造的可能性的巨大扩展。每一个制造业都将从新一代价格合理的零部件中受益，这些零部件具有复杂的几何形状和先进的材料属性，能够按需快速生产。

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