多材料结构的增材制造（1）

来源：江苏激光联盟

导读：本综述旨在重点介绍3D打印聚合物基，金属金属和金属陶瓷应用的范围，同时讨论增材制造多材料结构的优势和挑战。

增材制造（AM）或3D打印通过其快速和几何复杂性以及经济效益彻底改变了制造业。在过去十年中，汽车、航空航天、医疗甚至食品行业的无数企业都采用了这种方法。尽管这场革命在单一材料使用中引发了广泛的创新，但制造业正在不断发展。3D打印机现在能够创建多材料系统，并在用户可定义的位置进行性能改进。这意味着在整个单个组件中，可以在最需要它的领域定义硬度，耐腐蚀性和环境适应性等属性。这些新工艺允许构建令人兴奋的多功能部件，而这些部件是通过传统的单一材料AM工艺永远无法实现的。目前正在评估金属、陶瓷和聚合物的增材制造，以在一次操作中结合多种材料，并且已经生产了以前从未生产过的零件。虽然多材料AM仍处于起步阶段，但研究人员正在将他们的思维方式转向这种独特的方法，这表明该技术正开始超越研发阶段，进入现实世界的应用。本综述旨在重点介绍3D打印聚合物基，金属金属和金属陶瓷应用的范围，同时讨论增材制造多材料结构的优势和挑战。

1. 介绍
增材制造(AM)或3D打印包含三个基本概念的革命性想法:通用、实用和高效。当你考虑到3D打印是多么的“通用”，以及它已经影响了哪些领域，其影响是相当显著的。这可能是金属、聚合物和陶瓷材料的巨大飞跃，想象一下能够3D打印地球上每个人一度都渴望的东西:食物。想象你的食物，把它上传到打印机上，然后看到它直接在你面前打印出你的食物，这已经不再是未来的想法了。披萨、形状复杂的巧克力，甚至蛋糕都是用3D打印的，几乎没有任何材料浪费，证明了这一过程的实用性和效率。由于3D打印是一个完全可定制的过程，即使只是去厨房一趟，也会受到打印独特的、令人垂涎的食物的能力的影响(表1)。

表1 缩写词

虽然这种定制对基于食物的应用很有吸引力，但3D打印在整个STEM领域对个性化部件的设计产生了巨大的吸引力。耐克公司发布了一款3D打印的足球防滑鞋，它优化了防滑鞋的牵引力，同时减轻了鞋子的重量，这完全改变了消费者对鞋子性能的看法。通用电气(General Electric)推出的CFM LEAP新型飞机发动机采用了增材制造的燃料喷嘴，这使得发动机只剩下一个部件，比之前使用的整个由18个部件组成的系统轻25%。甚至医疗行业和患者也从3D打印技术中受益匪浅，3D打印植入物可以为特定的患者量身定制，减少手术和恢复时间。为患者量身定制这些植入物也可以得到更合适的产品，这可以减少外观缺陷，提高整体植入物性能。

在数控机床上用铝合金(7075)制造的方支架零件。

为了说明设计方法，研究人员将展示一个方支架零件的重新设计(上图)。原来的零件是在“Fortal”(铝合金7075)的五轴数控机床上制造的。它由两个平面组成，每个平面有八个孔，作为安装零件的界面，并传递机械应力。该部件必须承受一个机械负载，趋向于关闭支架。为了使它更坚固，两个肋架垂直地放置在两个平面上。这种解决方案显示了良好的表面可达性和易于机器。零件的清理体积为95*29* 27mm3的矩形。

由于其明显的普遍实用性和效率，预测这一过程在未来几年将如何发展是一个挑战。多材料增材制造(MM-AM)正迈出第一步，从单一材料产品向具有创新潜力的多材料组件转变。3D打印具有所有的优点(材料和资源的效率，零件和生产的灵活性，减少生产提前期，提高性能等)，这些组件可以具有多种复杂几何形状的材料，并增加功能。

拿一块普通的巧克力吧。3D打印你想要的尺寸的酒吧是相当有趣的，但想象一下进一步的一步。使用MM-AM，你可以在同样的巧克力棒上添加焦糖、牛轧糖，甚至花生酱涂层，创造出不同口味的个性化巧克力棒。通过MM-AM，你可以根据自己的口味定制巧克力棒，在相同的结构中添加多种材料，从而获得最理想的组合。同样的想法也被应用到工程材料的MM-AM中，在巧克力棒中加入焦糖来增加甜味，而在金属棒中加入陶瓷材料来增加耐磨性和耐腐蚀性。牛轧糖甚至可以是一种更硬的金属来增加表面硬度，而花生酱涂层可以是一种生物相容性涂层用于骨植入应用。这种增加的功能是MM-AM流程背后的驱动因素，在MM-AM流程中，特定区域的功能可以放置在用户可定义的位置，以创建高性能的系统。图1中给出了一个简单的大纲，突出了组成这些系统的一般材料组合，基于材料类型，什么AM工艺是最合适的，以及可能的材料性能改进。

图1 MM-AM的一些制造和增强可能性概述。

如图2所示，传统的制造工艺必须将系统部件分别制造出来，然后将它们进行后期加工，形成复合零件。巧克力棒的比喻也是如此;传统的棒材必须经过生产线上的多台机器才能生产出最终产品。使用MM-AM，不同材料的分级或分离区域的复合材料结构可以在一台机器上连续完成一个步骤，使复合材料部件直接从设计阶段进入最终部件。聚合物3D打印由于其简单和广泛兼容的材料选择，是第一个先进到MM-AM的工艺。多色组件，如自行车头盔、足球头盔和可穿戴手套的外观非常逼真，如图3所示，以及多功能智能聚合物复合材料，可以随着环境的变化改变其几何形状，称为4D打印。尽管多材料聚合部件令人兴奋，但它们主要作为概念验证原型，展示了多功能、多材料系统的可能性。

图2 传统制造工艺与AM的工艺比较，以创建多层结构。

图3MM-AM聚合物结构的图片包括(a)由Synthesis Design + Architecture设计和打印的“DurotaxisChair”，(b)逼真的多色自行车头盔和(c)由Stratasys3D打印的足球头盔。(d)“4D打印”聚合物的自组装时间轴，(e) Stratasys PolyJet系统工艺，(f) 3D打印的多材料摩托车“手套”。

为了超越这个原型阶段，真正开始看到现实世界的应用，金属3D打印已经开始适应金属复合材料的MM-AM。3D打印是目前大多数行业在产品中使用的单一材料，但将设计限制在单一材料上，阻碍了可能提高零件寿命和性能的潜在改进。与传统工艺相比，MM-AM工艺的独特结合方式可以使多种金属之间的结合更加完美，因为MM-AM工艺没有导致应力集中的焊缝。而且，这两种材料都以粉末的形式开始，通过传统方法很难结合的多种金属可以更容易地结合。

MM-AM的独特之处在于，它不仅可以将两种不同的材料以100%的比例组合在一起，还可以创造出均匀的预先指定的混合区域。这一想法导致了多种材料的结合，如Inconel 718和铜合金GRCop-84，非磁性和磁性不锈钢，以及在Ti6Al4V上的铌在各种混合物中，如图4所示。MM-AM工艺还表明，它们可以通过添加不同的相来改变金属性能，例如在新的或已有的结构中添加二次金属相。此外，通过控制这些相的数量，还可以进一步控制金属的性能。

图4 (a-c)基于粉末的直接沉积实现三维梯度金属结构的原理图，以及一些金属级配的创新实例。例如:(d)从Ti6Al4V到钒，(f)不锈钢304 L到Inconel 625， (i)从Inconel 718到铜合金GRCop-84， (j)不锈钢316到不锈钢430，以及(k)从Ti6Al4V到不锈钢410的一些梯度区组织。

虽然组合多种材料具有影响力，但生成特定性能区域可能是MM-AM最重要的能力，因为它可以在单个制造操作中生成零件及其性能变化，而不是通过多个步骤。这推动了金属MM-AM的进步，因为金属-金属和金属-陶瓷的混合物可以在需要的位置均匀混合，就像巧克力棒与巧克力和焦糖的组合一样。梯度功能材料(FGM)可以通过在特定位置沉积金属或陶瓷材料来局部提高性能，而不是局限于将两种合金焊接在一起。

当这些材料设计选择得到恰当的解决，与传统制造工艺相比，MM-AM可以更好地控制材料性能，从而创造出这些前所未见的结构。金属陶瓷部件通过AM工艺组合在一起，形成具有高性能涂层的金属结构，如Ti6Al4V上的碳化硅复合涂层。同样，碳化钒(VC)被制造到不锈钢上以增加耐磨性(图5r-t)，由Ti6Al4V过渡到100%氧化铝(Al2O3)组成的FGM被制造出来以显著增加硬度(图5o)。100%氧化铝沉积在氧化铝基体上，分级氧化铝沉积在不锈钢/钛上，也被证明具有多种应用。反应工艺已经完成，可以根据环境生成陶瓷区域，例如在Ti6Al4V合金上原位合成tib - tin增强涂层。

图5 通过MM-AM工艺创造金属陶瓷结构和微观结构。独特的结构包括(a - f)丝料过程中添加的TiC颗粒和(g-n)随着颗粒添加量的增加而增加的颗粒形貌，(o)沉积状态下新颖的Ti6Al4V + Al2O3成分梯度结构，(p,q) SiC增强钛涂层中的TiC反应产物;(r)缸内不锈钢304至VC级配及其(s,t)耐磨性随碳化物百分比的增加而增加。

MM-AM正在通过制造全装配、新材料和精确控制材料性能来推进AM工艺。独特的AM方法构建一层一层的材料允许特定的位置，通过这样做，材料的属性可以控制在精确的位置，逐渐添加，并为特定的应用。MM-AM是一种革命性的方法，能够影响和改善我们日常生活中使用的各种各样的物品。

2. MM-AM的关键问题

MM-AM是基于多种材料的组合，以提高一个部件的整体性能。无论是多聚合物，金属，还是金属和陶瓷，材料的组合对建造过程都有一般的限制。该工艺本身也可能对实际应用有限制，如尺寸精度和尺寸，需要后处理，不能在同一环境下同时加工不同的材料组合等等。在讨论特定材料的工艺和结构之前，应该讨论这些基本的约束条件。

简单地说，AM过程首先使用计算机辅助设计(CAD)软件设计一个3D组件，可以用来制作模型，分配材料，执行结构，热和其他性能分析。然后，3D部分被转换成切片格式，用于实际的建筑过程，首先在平面上制造第一层。一旦这一层完成，制造系统就会移动到可以在第一层的基础上构建第二层的位置。这个过程继续改变层几何形状，以充分和准确地创建设计的3D零件，一次一层。借助高分辨率功能，每一层的复杂几何图形可以集成到最终产品中。然而，由于材料不同，连接过程开始显示出一些局限性。

(a-c)使用NASA喷气推进实验室的3D触摸打印机生产的ABS塑料部件。(d-g)美国国家航空航天局喷气推进实验室的尺寸打印机生产的各种部件，包括(e)一个小型航天器模型，(f)一个全尺寸立方体卫星，(g)一个火星探测器轮子的复制品。(h)使用DMLS生产的Ti部件和(i)使用DMLS生产的细胞结构。(j)一端经UAM固化的铝带。

AM工艺(非正式地称为三维打印)提供了从计算机生成的实体模型中解放硬件的能力，这对于开发一个不需要加工或制造铸造模具的零件是很有用的。在过去的十年里，将AM与塑料一起使用已经得到了广泛的认可。各种规模的设备都有，从桌面打印机到工业机器，能够模拟硬件，以证明概念和生产实际的消费产品。上图(a) -1 (g)显示了在两种不同类型的3D打印机上生产的聚合物部件。3D-Touch(由Bits from Bytes生产)，如图(a)所示，能够从丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)和聚乳酸(PLA)中生产塑料部件，并包括缩放对象的能力[图(b)]和使用支撑材料以促进悬垂特征[图(c)]。较大的机器，如Dimension打印机(由Stratasys, Ltd, Rehovot, Israel)，如图(d)所示，能够打印相对复杂的大型组件，用于模拟整个宇宙飞船的微型或实物大小。图(e)为小型航天器，图(f)为真尺度立方体卫星。图(g)显示了美国宇航局火星探测器“好奇号”的全尺寸复制车轮。

2．1． 多种材料的连接工艺

结合类似的材料，无论是通过传统的制造或传统的AM方法，目前的连接过程是相对简单的。然而，当组合不同的材料时，需要考虑许多设计因素，以创造一种牢固、持久的结合。除了材料厚度和接头设计等设计因素外，热膨胀/收缩等热行为的差异以及在制造和实际应用中的冷却速率不匹配也在很大程度上限制了零件的完整性。

克服这些问题的一种简单但有时效率低下的方法是用中间粘合剂将两种材料粘合起来。尽管不同聚合物的粘接已经被证明是一个非常有效的过程，两个单独创建的组件仍然被连接。这意味着，如果末端部分需要连接两个不同的部件，则该部分的完成总共需要三种制造操作:三种单独的制造操作可能需要过多的时间和资源，特别是当每一种操作需要多个阶段才能完成时。虽然这种“三种操作”方法适用于各种工艺，如组合相似和不同的金属板或陶瓷组件，MM-AM在一个连续的过程中创建、塑造和组合相似和不同的材料的独特能力是不可否认的优势，在全球制造领域。

由于可供选择的材料广泛，每种材料都有各自的优点和缺点，连接两种截然不同的材料对制造商来说越来越有价值。连接两种不同的材料并不一定意味着每种材料的优点对应用是可取的;有时他们的缺点也会被利用。一个广泛使用的例子是制造一个传动齿轮，这是在一个高度磨蚀的环境。而不是创建整个齿轮耐磨材料,如脆性陶瓷很难本质上是传统制造、批量的齿轮可以轻易制造金属和耐磨陶瓷可以应用复合涂层在装位置。这个多功能变量可以通过MM-AM过程添加，通过有限的后处理在单个组件上创建梯度属性。

2.2 应用MM-AM

在很大程度上，传统的制造限制，如几何约束和小规模的生产成本，在设计通过AM生产的零件时是过去的事情。这是因为AM比传统方法有很多优势，如能够有复杂的几何形状，较低的材料成本，一个几乎完全的用户定制没有额外的成本，材料可回收性，和成本效益复杂的小批量项目。

虽然AM和MM-AM有很大的潜力，但仍有一些问题需要解决。目前，由于表面光洁度低、生产率低、质量控制、重复性、部件尺寸有限、可打印材料范围有限等缺点，只有少数AM工艺被用于现代制造业。此外，无法预测和模拟零件的非各向同性特性之外的性能，限制了客户对这些材料和工艺的接受。研究人员也表示，AM需要增加规模，更大的建筑外壳，高性能设置中可用的材料，以及多功能智能响应材料。然而，这些问题是与AM作为一个整体相关的。由于MM-AM更广泛，它有额外的障碍要克服。这包括CAD限制、材料建模软件、设计师不熟悉技术和材料问题，如前所说。所有这些问题都需要在MM-AM技术被广泛引入现代制造之前得到解决。

虽然这些缺点限制了AM在现代制造中的广泛应用，但其潜力不断推动研究和开发向前发展。世界各地每年都有更多的研究拨款用于增材制造研究。一些聚合物调幅机已经采用了多材料技术。金属和陶瓷的MM-AM本质上更具挑战性，因为不同材料之间的粘接难度增加了，而且生产多材料系统所需的能量也增加了。然而，已经发展出一种将多种金属结合在一起的工艺，以及在现有材料中添加金属基复合材料(MMC)和陶瓷涂层。随着新材料和新工艺的开发，研究将继续解决这些问题。既然已经讨论了一些一般性的障碍，下面几节将审查具体材料的过程和创新的例子。

3.聚合物和复合材料的MM-AM

在探索具体的例子之前，重要的是要注意，在ASTM国际标准规定的7个通用的AM类别中，目前有5个显示了创建多材料结构的可行性。这包括粘结剂喷射、材料喷射、材料挤压、定向能沉积(DED)和基于层压的过程，表2描述了它们各自的优点和缺点。尽管粉末床融合和立体光刻(SLA)这两种工艺在MM-AM方面取得了一些进展，但由于在制造过程中添加不同材料的力学原理，这些工艺本身很难产生复合材料结构。

表2 MM-AM过程和一些一般的优点/缺点。

3．1. MM-AM聚合物

聚合物3D打印机一直走在创新的前沿，因为与金属和陶瓷相比，处理聚合物的简单性和成本较高。无论是简单地改变颜色，还是使用两种不同的聚合物来构建一个部件，系统已经开始结合多种材料选项来改进MM-AM。

Stratasys公司一直以生产熔丝沉积建模(FDM)机器而闻名，该公司推出了一款多材料3D打印机，可以使用他们的PolyJet技术改变材料的属性和颜色。它的工作原理与传统的喷墨打印机类似，但它不使用油墨，而是将不同的聚合物喷射到基材的特定区域，然后通过紫外光固化(图3e)，结合了SLA和材料喷射工艺。一旦一层完成，另一层材料被沉积和固化在之前沉积的层上，直到3D零件完成。这是独一无二的，因为它可以在构建过程中通过混合不同性质的聚合物液滴来改变材料，允许3D部分具有不同的刚性、灵活性、透明度等。

从22种基础树脂开始，可以通过混合不同的树脂组合来改变性能和颜色，从而产生惊人的36万种不同的材料选择。如图3所示，这些部分展示了MM-AM过程中能够为用户定义的真实外观的颜色和材料过渡。这些基础树脂的性质从刚性到类似橡胶，可以精确地混合，以创建混合部分。这可以通过改变不同区域的特性，得到具有组装部件特征的部件。不仅可以通过改变材料来改善性能，还可以通过改变工艺参数来达到类似的效果。这种材料/工艺/性能的关系很难准确确定，但可以广泛地与SLA工艺相关，因为它也强加了一层一层的uv固化原则。

研究表明，在不同的扫描功率(100 ~ 250 mW)和层厚(150 ~ 300 μm)条件下，材料的杨氏模量、强度和韧性随扫描功率的增大而增大，层厚的减小而减小。更具体地说，真实应力-应变图显示出断裂应力为~ 13 MPa，而层厚为150 μm的较强试样的断裂应力为~ 5 MPa，而层厚为300 μm的较低试样的断裂应力为。随着开口间距和固化深度的增加，树脂基光致聚合物Somos 7110的杨氏模量从2.40增加到2.60 GPa，极限拉伸强度从52.8增加到58.9 MPa，而在绿色状态的所有加工条件下，泊松比保持不变。通过改变加工参数来改善单一材料的性能，现在可以让36万个不同的材料选项拥有一系列的材料性能，允许用户自定义的数量令人难以置信。这就是MM-AM的多功能和多样性，真正突破了设计师想象力的极限。

为了进一步开发MM-AM的多功能性，Stratasys还与麻省理工学院合作，制造可编程材料，使其能够适应环境。它被称为“4D打印”，其中第四维即时间，允许多种材料的打印结构根据周围环境的变化而变化。这意味着打印出来的模型不再局限于静态的形状，而是可以通过编程来适应不断变化的环境，如图3d所示。以水为活化能膨胀特定区域，由精确放置的刚柔聚合物组成的二维复合结构，通过几何设计控制聚合物的膨胀方向，可转化为三维结构。该技术的核心是机器、材料和几何程序。一种亲水聚合物被制成，当暴露在水中时膨胀150%。当打印机将刚性聚合物与亲水性聚合物以不同的配置沉积在一起时，它能使聚合物在暴露于水中时以可预测的方式折叠。为了完成这种先进的材料放置，必须制作新的软件。与Autodesk Research合作，开发了一个程序，允许模拟自组装和可编程材料，这反过来允许优化设计。人们相信，这种技术可以用于制造从医疗到结构的各种应用中有用的组件。

来源：Additive manufacturing of multi-material structures，MaterialsScience and Engineering: R: Reports，doi.org/10.1016/j.msr.2018.04.001
参考文献：GE Global Research, 3D Printing New Parts for Aircraft Engines,2017, https://www.geglobalresearch.com ... s-aircraft-engines. (Accessed 11 February 2018).