近年來，增材制造作為一項生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)越來越重要。特別是，金屬激光粉末床熔融工藝已在航空航天、醫(yī)療、工具制造以及通用機械和工廠工程等行業(yè)實現(xiàn)批量生產(chǎn)。增材制造工藝提供了高度的設(shè)計自由度，可以根據(jù)發(fā)生的負載來優(yōu)化組件結(jié)構(gòu)，從而可以大量合并零件。功能集成的可能性也已在許多行業(yè)得到開發(fā)，可以有針對性的制造固態(tài)接頭或多孔結(jié)構(gòu)。然而，到目前為止，這些組件始終由單一材料制成。

高制造成本與高額回報

仔細觀察增材制造的工業(yè)應(yīng)用就會發(fā)現(xiàn)，批量生產(chǎn)通常是在高科技應(yīng)用中實現(xiàn)的。這不僅是因為在高科技領(lǐng)域需要最大的設(shè)計自由度以實現(xiàn)優(yōu)化的器件性能，而且還因為在此類應(yīng)用中更高的制造成本更可能被接受。其原因是，由于在使用組件過程中不斷實現(xiàn)節(jié)省，生產(chǎn)成本可以在短時間內(nèi)得到補償，甚至過度補償。

因此，可以進行投資回報計算，其中幾年、幾個月甚至幾天內(nèi)實現(xiàn)的節(jié)省超過了生產(chǎn)部件增加的成本。例如，如果閥塊不是通過傳統(tǒng)銑削和鉆孔方法制造的，而是通過增材制造設(shè)計 (DfAM) 進行流量優(yōu)化，可以減少流量損失。這就可以使用更小的泵體，從而不僅節(jié)省投資，而且節(jié)省持續(xù)的能源成本。鑒于我們已經(jīng)看到這些高科技領(lǐng)域利用增材制造實現(xiàn)了新的可能性，很明顯這些領(lǐng)域也將受益于多材料增材制造。

多材料3D打印工藝步驟

根據(jù)ISO/ASTM TR 52912的定義，多材料組件是包含至少兩種牢固結(jié)合在一起的不同材料?？v向多材料組件的生產(chǎn)（在連續(xù)層之間發(fā)生材料變化）目前已經(jīng)可以在大多數(shù)商用SLM機器上進行，其過程是首先打印一種材料到一定高度，然后將粉末更換為另一種并以上一種材料打印的零件作為基體繼續(xù)打印。在該過程中，將面臨整個機器的清潔，如有必要，還可能需要進行集塵器、密封組件的更換。?

沿工藝鏈進行多材料加工的挑戰(zhàn)

總之，上述方式實現(xiàn)的多材料增材制造相對耗時，所實現(xiàn)的材料復合僅能是二維截面。對于3D多材料部件的打印，兩種材料必須同時存在于一層內(nèi)。因此，3D多材料組件的特點是材料可以隨機分布。此時，傳統(tǒng)的打印機無法實現(xiàn)多材料粉末的鋪設(shè)。對于通過SLM工藝生產(chǎn)3D多材料部件，有必要在軟件和硬件方面對現(xiàn)有的打印機進行改造，并在每個步驟中調(diào)整工藝鏈。

01模型預處理

首先，材料分布需要由設(shè)計者定義。這可以由應(yīng)用設(shè)計師通過自己的專業(yè)知識或使用模擬工具來完成。一旦知道所需的材料分布，就需要為增材制造工藝生成零件的三個子模型。對于每個材料部分，需要一個單獨的模型（子模型），以便允許在SLM打印過程中進行合適的參數(shù)設(shè)置。

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多材料SLM工藝的零件建模：每個材料部分都需要自己的子模型以允許后續(xù)分配參數(shù)

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多材料零件的參數(shù)化，重點關(guān)注兩種特定材料 A 和 B 之間的過渡區(qū) (C)。說明：Ed = 能量密度，PL = 激光功率，vscan = 掃描速度，dHatch = 填充距離

除了按材料生成的子模型之外，還需要第三個子模型來描述材料之間的過渡區(qū)域。對于每個部分，構(gòu)建過程通常需要特定參數(shù)，以確保材料具有足夠的質(zhì)量。這意味著，為了獲得高相對密度值和無裂紋材料，每個材料區(qū)域的激光功率、掃描速度和填充距離可能會有所不同。此外，根據(jù)掃描順序，可能會發(fā)現(xiàn)零件質(zhì)量存在差異。

02鋪粉過程

多材料SLM工藝中最重大的挑戰(zhàn)是對多種材料實施鋪粉。傳統(tǒng)的鋪粉機構(gòu)無法在一次構(gòu)建作業(yè)中應(yīng)用兩種粉末材料。因此，需要對設(shè)備和軟件進行重新設(shè)計才能實現(xiàn)多種粉末的鋪設(shè)。德國Fraunhofer IGCV 實驗室對一臺SLM Solutions SLM? 280 2.0進行了改造，使其能夠鋪設(shè)和打印多材料。該機器在一次構(gòu)建作業(yè)中能打印兩種粉末材料。此外，鋪粉機構(gòu)配備有抽吸裝置，能夠去除多粉末層，多材料循環(huán)遵循以下步驟：

1. 將材料 A 鋪在第 n 層并根據(jù)設(shè)計進行熔化

2. 未凝固的粉末材料A被抽吸裝置吸走

3. 根據(jù) CAD 設(shè)計，材料 B 被鋪設(shè)在第 n 層并熔化，未熔化的粉末材料 B 保留在構(gòu)建室中

4. 構(gòu)建平臺降低一層高度，并對第 n+1 層重復步驟 1

5. 遵循步驟 1-4 中描述的原理，材料 B 保留在構(gòu)建室中，而材料 A 則不斷地被抽吸裝置吸取??

Fraunhofer IGCV 實驗室的多材料SLM? 280 2.0 機器內(nèi)部視圖

03后期處理

除了單一材料加工中已經(jīng)熟悉的挑戰(zhàn)（例如從零件中去除松散粉末或去除支撐結(jié)構(gòu)）之外，粉末混合物的分離是多材料加工帶來的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。在步驟 1-4 中描述的鋪粉過程中，兩種粉末材料的混合是不可避免的。理論上，僅去除一種粉末就足夠了，通過完全移除材料 A，僅留下材料 B。而且，只有材料A會留在抽吸裝置中。然而，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)不允許如此精確地去除粉末層。粉末的粒度分布和所得顆粒質(zhì)量以及抽吸裝置可實現(xiàn)的均勻性限制了精度，并且意味著需要抽吸三層或更多層高度以避免污染。因此，對粉末勢必發(fā)生混合。

粉末混合物回收利用的確定原則

根據(jù)所使用的粉末材料特性，可以指定不同的粉末分離方法。例如，如果一種粉末具有磁性，但第二種不具有磁性，則可以使用磁性技術(shù)分離；如果可以加工不同且無重疊粒度分布的粉末，則也可以進行篩分分離。此外，還有其他物理原理，但它們目前對增材制造的適用性仍然明顯低于磁分離或篩分。需要指出的是并非總是以100%分離粉末材料為目標，因此這些材料還會重復使用，所需的純度水平很大程度上取決于材料組合。

多材料零件的工業(yè)潛力和示例

多材料組件可以根據(jù)要求充分利用特定材料的優(yōu)勢。例如，耐磨耐熱鋼可以與具有良好導熱性的銅合金組合，用于大缸徑發(fā)動機應(yīng)用。

在制造銅-高溫合金發(fā)動機噴嘴的案例中，遵循了上述4個循環(huán)制造過程，此時的材料 2 是一種粉末混合物，其添加了石墨混合物來預先增加碳含量。由于激光照射，碳在熔化和加熱過程中的擴散導致兩個區(qū)域之間的漸變過渡。所使用的工藝允許選擇性的設(shè)置和調(diào)整邊緣層的厚度，從而在齒面產(chǎn)生最佳硬度分布，同時在齒根產(chǎn)生針對承載能力進行優(yōu)化的硬度分布。此外，此處顯示的過程可用于在組件內(nèi)部創(chuàng)建支柱，且不需要隨后的表面硬化，只需加熱和淬火即可產(chǎn)生完整的馬氏體表面層。

與 MAN Energy Solutions SE 合作研究的多材料金屬粉末床熔融大缸徑發(fā)動機噴嘴

與DFG 德國研究基金會合作研究的由兩種鋼組成的齒輪的工業(yè)用例

用于太空應(yīng)用的鎳銅燃燒室演示模型

Fraunhofer IGCV 實驗室還打印了多材料的燃燒室。燃燒室面臨著高熱負荷，但也需要盡可能輕。采用增材制造增加的制造成本可能會被帶入太空的更多負載所過度補償。由于這些原因，航天是增材制造的核心產(chǎn)業(yè)之一，特別是多材料增材制造。在所展示的示例中，鎳基合金將用作腔室的耐熱基體，并且銅基區(qū)域?qū)⒃黾訜醾鬟f。

END

本文所示的組件并未充分描述多材料組件的潛力。例如，對于注塑應(yīng)用，耐磨工具鋼可以與具有良好導熱性的銅合金相結(jié)合，從而顯著縮短高長徑比塑料部件的生產(chǎn)周期。鋁和銅合金的組合為電動機制造提供了節(jié)省成本的機會。此外，鈦合金與鉭相結(jié)合可以改善牙種植體。

總之，多材料加工正在向著工業(yè)應(yīng)用邁進，某些材料配對（例如銅和鋼）的技術(shù)準備程度足以實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。利用磁力分離進行分選，純度幾乎為100%。與鋼-銅材料組合相反，其他粉末分離技術(shù)很困難，因此多材料加工不是很經(jīng)濟，因為粉末的可重復使用性通常被視為經(jīng)濟效率的中心標準。然而，也需要明確多材料加工可以提供什么優(yōu)勢，所付出的加工成本能否被過量補償。

目前多材料SLM的技術(shù)成熟度仍低于單材料SLM工藝，但很明顯金屬多材料的3D打印具有工業(yè)價值。國外針對該方向的研究正在從研究轉(zhuǎn)移到商業(yè)開發(fā)?；镜目尚行砸言谠霾墓に囨湹乃协h(huán)節(jié)得到證實，并且第一批工業(yè)機械已投放市場。對于廣泛的工業(yè)應(yīng)用，現(xiàn)在有必要滿足產(chǎn)品特定的要求?？梢钥偨Y(jié)出，多材料加工為企業(yè)、特別是高科技領(lǐng)域的企業(yè)，提供在未來系列產(chǎn)品中獲得市場優(yōu)勢的絕佳機會。

注：本文內(nèi)容由3D打印技術(shù)參考整理編輯，轉(zhuǎn)載請點擊轉(zhuǎn)載須知。