如何使用粉末沉积工艺实现便宜、可扩展的多层材料3D打印

      3D打印公司Aerosint的工程师日前发表了一篇文章，概述了该公司对多材料3D打印未来的看法。正如我们之前报道，比利时SLS专家已经尝试开发多种材料的3D打印机，而且这项技术的进一步发展可能会对制造业产生转型效应。多材料3D打印对于增材制造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。

功能梯度材料（FGM）可以说是Aerosint文章中称为复合材料世界的“圣杯”的最佳类型的复合材料。代替通常情况下的增强材料分布在整个基础材料中，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，这将导致弱点。

FGM在非常高的热应力、机械应力和/或化学应力的极端环境中非常有用，其中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，购买和维护，每个部分必须一次一个。材料浪费是另一个严重问题，防止DMD得到更多实施，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最有可能是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。