增材制造技術(shù)基于離散-堆積的獨特成形原理，相較傳統(tǒng)制造技術(shù)，在降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率以及制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件方面具有較大的優(yōu)勢，已經(jīng)在航空航天、核能和醫(yī)療等高度定制化領(lǐng)域逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)制造技術(shù)。傳統(tǒng)的增材技術(shù)僅限于成形單一均質(zhì)材料，已無法滿足特殊性能零件的生產(chǎn)要求，如火箭隔熱罩、熱交換管、發(fā)動機腔等熱端部件，這些零件在工作區(qū)域要保持高耐熱和高導(dǎo)熱性，而在非工作區(qū)僅需要保持一定的強度，同時還要求降低生產(chǎn)成本。

多材料增材制造技術(shù)是將多種材料按照結(jié)構(gòu)和功能要求集成在一個零件上，在材料成分、形狀結(jié)構(gòu)和宏觀性能上具有更高的設(shè)計自由度，能夠通過精確調(diào)整將不同的材料沉積到構(gòu)件的任意位置上，根據(jù)環(huán)境或結(jié)構(gòu)要求對零件進行特殊定制生產(chǎn)，突破了傳統(tǒng)多材料制備技術(shù)的諸多限制，適用于制備功能和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，生產(chǎn)成本低且性能優(yōu)異，是高性能零件最理想成形方案。

典型多材料體系的組合和應(yīng)用

由于傳統(tǒng)L–PBF設(shè)備的送粉系統(tǒng)是通過刮刀/輥式在同層均勻鋪粉，難以實現(xiàn)同層或不同層點對點精確沉積多種材料，這成為限制L–PBF成形多材料的主要問題。因此，如何設(shè)計傳統(tǒng)粉末床的送粉系統(tǒng)成為制備多材料的關(guān)鍵，現(xiàn)有多材料送粉系統(tǒng)分為刮刀送粉系統(tǒng)、超聲輔助送粉系統(tǒng)、電子照相送粉系統(tǒng)和刮刀 +超聲輔助送粉系統(tǒng)。來自中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所的研究人員發(fā)表了題為“激光多材料增材制造技術(shù)研究進展和展望”的文章，介紹了多材料增材制造技術(shù)影響界面結(jié)合強度的主要因素及消除缺陷的方法；介紹了目前不同的送粉方法和每種送粉方法的優(yōu)缺點；討論了工藝參數(shù)對多材料增材制造的影響規(guī)律；最后總結(jié)了該技術(shù)目前的瓶頸性難題，展望了未來的主要研究方向。

多材料 L–PBF 送粉系統(tǒng)示意圖

01 刮刀送粉系統(tǒng)

刮刀送粉系統(tǒng)是最早實現(xiàn)多材料打印的裝置，兩個或多個粉末容器可以分別儲存和輸送兩種或多種粉末。但是這種送粉系統(tǒng)僅可制造沿沉積方向上的多材料構(gòu)件，難以實現(xiàn)同沉積層的多材料沉積，可適用的材料體系有限，因此不具備發(fā)展?jié)摿?。新加坡的研究人員升級了標準 L–PBF 的送粉系統(tǒng)，使用雙粉末倉成功實現(xiàn)了銅 –不銹鋼雙金屬的成形，這種成形制件存在尖銳的材料界面，材料突變極易在材料界面處產(chǎn)生孔隙、裂紋和分層等缺陷，難以實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。

多材料構(gòu)件打印過程

02 超聲波輔助送粉系統(tǒng)

超聲波輔助送粉系統(tǒng)最早是在選擇性干粉輸送中得到廣泛研究，該裝置可以以均勻的送料速率送粉，其精度可以達到微米級水平，但是逐點超聲波送粉的效率較低，限制了該送粉系統(tǒng)在粉末床中的應(yīng)用。曼徹斯特大學(xué)的研究人員使用超聲波振動按照不同的幾何模型將多種材料的干粉顆粒輸送到粉末床上，成功激光成形了二維的多材料組件。

03 電子照相送粉系統(tǒng)

電子照相技術(shù)在工業(yè)印刷行業(yè)的應(yīng)用非常成功，它是利用靜電力將材料選擇性地轉(zhuǎn)移到基材上，因此，有學(xué)者提出將電子照相技術(shù)應(yīng)用在3D 打印中來實現(xiàn)多材料選擇性增材制造。雖然該系統(tǒng)能夠快速、精確地輸送多材料粉末，但是堆疊成三維零件仍存在一定難度，因為電場會隨著沉積厚度的增加而減小。Stichel等開發(fā)出一款基于粉末床的電子照相送粉系統(tǒng)，證明了該送粉系統(tǒng)制造多材料具有可行性，并且在印刷粉末層的表面和光電導(dǎo)體之間實現(xiàn)恒定電勢，降低了沉積層厚度相關(guān)性。電子照相技術(shù)目前仍存在不足，如工藝參數(shù)不當會導(dǎo)致粉末意外掉落，極易造成粉末污染，此外還需要對沉積的粉末進行材料和粒度上的分類。

由FraunhoferIGCV系統(tǒng)創(chuàng)建的多材料3D打印部件

04 刮刀 + 超聲輔助送粉系統(tǒng)

刮刀 + 超聲輔助送粉系統(tǒng)是目前比較理想的解決方案，該系統(tǒng)由曼徹斯特大學(xué)的研究人員提出，集成了刀片和超聲粉末分配器，并且使用真空粉末抽吸裝置，能夠精確去除粉末。通過超聲波振動激勵信號精確控制粉末流的開始和停止，使用超聲波振動可以改善干粉流動，破壞粉末團聚，確保實現(xiàn)穩(wěn)定且連續(xù)的粉末流動。使用該裝置成功制備出一系列的316L不銹鋼和Cu10Sn銅合金組成的多種金屬材料制品，證明了該系統(tǒng)不僅具備可行性，還提高了粉末沉積效率，但送粉效率仍需進一步提升。

多材料 L–PBF 送粉系統(tǒng)示意圖

曼徹斯特大學(xué)打印的多材料零件

與傳統(tǒng)單一材料的設(shè)計不同，多材料成形軟件應(yīng)具備對材料力學(xué)性能、空間分布和幾何形狀進行設(shè)計的功能，基于體素建模的3D CAD軟件可以實現(xiàn)這些功能，但是需要建立完備的材料學(xué)資料庫來匹配，目前仍不具備多材料增材制造成形的專業(yè)性。而市面上僅有的幾款軟件，如ParaMatters和Monolith等多材料增材制 造工具軟件主要用于成形聚合物，對于金屬材料的應(yīng)用較少，因此今后需要對多材料增材制造軟件進行深入探索和設(shè)計。