如今，3D打印技術的可成形材料雖仍然很少但也日益廣泛，一些頂尖的科研機構已經再開始尋找該技術下一階段的發展潛力，其中之一就是開發多材料部件——根據需要打印出兩種或多種材料。使用具有不同物理特性的多種材料的3D打印，將為高度復雜、輕量級的組件制造提供前所未有的設計自由度，從而為工業應用創造新的發展高度。

多材料3D打印部件

為實現這一目標，多家頂尖的項目團隊正在開發創新的多材料組件3D打印技術，這些組件可定制的機械、電氣、熱和磁特性，能夠用于汽車和航空航天工業。多材料3D打印技術的可實施工藝種類很多，本文主要介紹的是被廣泛關注的采用粉末床激光熔融工藝實現多材料金屬3D打印，相對來說，該工藝面臨復雜的過程控制問題。

增材制造技術前沿注意到，目前從事該技術研究的知名團隊有Aerosint公司、歐洲Fraunhofer IGCV團隊以及Leap71等。

用于SLM的多材料體系選擇原則

多材料3D打印仍然是一項新興技術，對工藝的理解非常有限，特別是對于材料界面，在選擇可以進行多材料一體成形的材料體系時應當考慮如下因素：

關鍵因素1：應當選擇冶金相容的材料，以避免在熔合邊界處形成脆性相。由于SLM過程中出現的高溫度梯度和殘余應力，這些相會導致裂紋萌生。

關鍵因素2：材料的熱膨脹系數，不匹配的溫度依賴性變形會導致界面及其附近局部高應力。

其他重要因素：包括熔點差異、粉末污染和熱處理等。

從可制造性的角度來看，用相同的基材(例如不同類型的鋼、鈦和性能不同的鋁)組合制造是簡單的。通常，這些材料在處理窗口中有很多重疊；換句話說，現有的同類型材料的激光參數可以相互適用。在這種情況下，沒有必要為材料界面開發獨特的掃描策略。

Aerosint公司已開發的多材料一體成形體系

經過仔細研究，發現有些鋼可以以同樣的方式與鉻鎳合金結合。鉻鎳合金在高溫下具有優異的抗氧化、耐腐蝕和抗蠕變性能。這些材料通常比鋼更貴，所以用鋼替換一些鉻鎳鐵合金可以降低零件的成本。這可能被用于能源、石油和天然氣以及航空航天工業。

一款采用SLM技術打印的一體化鋼-銅散熱器，由高導熱系數銅合金和結構材料制成的多材料部件在熱管理方面具有廣泛的應用。熱交換器和冷卻元件常用于數據中心、汽車、化學工業、燃燒裝置、模具、鑲件等。對于注塑行業來說，冷卻時間的縮短可以加快整個生產周期。對于較小的模具鑲件，隨形冷卻通道的空間非常有限，因此在鑲件內部使用銅材料成為加速散熱的唯一方法。

SLM 3D打印的銅-鋼一體結構散熱器

另一個有前景的應用是由銅合金和鉻鎳鐵合金組成的的夾套推力室。NASA一直試圖通過結合SLM和直接能量沉積(DED)的混合方法制造這種雙金屬部件。原則上，多材料SLM技術可以取代這種混合工藝。由帕德博恩大學領導的歐洲研究團隊基于MADE-3D項目正在開展多材料SLM成形技術，其組成成員還包括SLM Solutions，Fraunhofer鑄造研究所、復合材料和加工技術研究所(IGCV），賽峰，法國原子能委員會等共八個國家的重要機構。

3D打印的多材料零件

Fraunhofer IGCV 制造的多材料組件

該項目的資金支持達到670萬歐元，該團隊近期展示了其采用SLM技術3D打印的多材料夾套推力室——由材料CW106C（銅合金）和1.2709（鋼）制成具有集成冷卻通道的縮比火箭發動機燃燒室，但將粉末完全混合在一起很明顯不能作為未來技術的發展需求。

SLM多材料3D打印的鋪粉方式

Fraunhofer IGCV的方法是使用靜電力將粉末選擇性的吸附到板上，然后將其放置在帶相反電荷的打印床上。具體的實施過程可以查看文末視頻，工藝過程的實施細節可以參考《Electrostatic powder attraction for the development of a novel recoating system for metal powder bed-based additive manufacturing》。

SLM多材料3D打印粉末分離很困難

Fraunhofer IGCV靜電吸附機構

與靜電吸附鋪粉方式不同的是，Aerosint使用可旋轉的轉鼓施加不同粉末。但作為工藝可持續性的一部分，當涉及到基于粉末床的增材制造工藝時，粉末回收是一個普遍關注的問題。Aerosint公司提供了一種可行的方法來應對這一挑戰，只需使用足夠的粉末來建造組件，支撐粉末床的部分可以使用失效的粉或者回收但不能再使用的粉末或其他低成本粉末。這就需要在系統中加入第三個轉鼓，這在技術上是可行的。在這種情況下，可以降低粉末回收的高額成本。

帶有三個轉鼓的Aerosint新一代鋪粉機構

這種策略的首要考慮因素不是試圖回收混合粉末，而是首先避免材料浪費——通過在無零件實體的位置填充第三種材料實現粉床構成。與兩種材料相比，填充材料不會熔合或結合到零件中，在打印過程結束時，所有填充材料都將被回收并在下一個構建作業中重新使用，從而防止任何類型的浪費。

Aerosint開發多材料散熱器

Aerosint稱其新一代鋪粉系統可將粉末回收率提升至100%，即只在實體零件有需要的位置施加粉末，其他位置施加便宜的填充粉末，就如同粘結劑噴射技術僅在實體零件處噴墨一樣。按照這種方式，Fraunhofer IGCV也可基于靜電吸附技術施加填充粉末。

多材料SLM技術要解決的問題

從技術的角度來看，為了提高工業化過程的穩健性和可靠性，仍有許多努力要做。

首先，鋪粉速度需要提高到單材料SLM工藝中常用的速度。

第二，某些應用可能涉及較小的特征尺寸，但工業客戶的一大需求是擴大機器尺寸，以制造大型部件。

第三，監控工具在SLM過程中對提高過程控制和產品質量非常重要，粉末床質量監測和熔池監測等方法對多材料SLM工藝也至關重要。

第四，激光路徑和多材料粉末床之間的對準對于使用順序掃描策略處理不同材料尤為關鍵。

最后，需要修改和定制整個工作流程，以部署多材料SLM打印過程。從增材制造設計開始，第二種材料的使用增加了生成設計的復雜性，因為在界面上存在更多來自工藝、材料相互作用和性能轉變的限制。構建文件的切片和準備需要在軟件中開發和實現新功能。材料具有不同的強度和硬度，這會影響后處理步驟，如表面精加工和支撐去除。

結束

與超材料類似，一些新成分可以表現出在自然存在的材料中無法找到的特性。研究人員用數學方法建立了不同的設計模型。通常，這些模型具有復雜的幾何形狀，并涉及兩種或多種可以由SLM技術制造的材料。

多材料3D打印是制造具有更高集成功能的高性能部件的理想方法，這些組件將加速綠色制造的進程，并徹底改變產品創新過程。