激光天地导读：

本文主要介绍了多材料增材制造聚合物、金属-金属多材料以及金属-陶瓷多材料打印的应用，同时还讨论了多材料打印的优缺点。

增材制造又叫3D打印，是一种革命性的制造技术，可以快速、经济的制造出复杂形状的制品。许多商业部门如汽车、航空航天、医疗甚至是食品工业部门均在开始大量采用这一技术。尽管这一技术促进了单一材料的应用效能，制造业界也在不断发生着变革。如3D打印可以实现打印用户所设定的期望性能的多材料。这就意味着，可以通过单一部件，实现硬度、耐蚀性和环境适应性等在最需要呈现这一性能的区域呈现出来。这一工艺可以使得采用制造的多功能部件采用传统工艺不可能制造出来，也不可能采用单一材料制造出来。增材制造陶瓷、金属、聚合物等正在研究如何通过多材料打印实现制造。并且已经打印出许多以前不可能打印出来的产品。然而，多材料打印尚处于发展的初期，研究人员还刚刚将其目光投向这一高新技术，且表明该技术的确优于传统的多材料制造技术且正致力于实际生产中的应用。本文则综述了3D打印多材料的现状。

图1 传统制造工艺同3D打印多材料工艺的对比图

增材制造(又叫3D打印)技术在技术革新方面包含三个层面的思想：通用、实用和效用。当你考虑3D打印如何通用时，你考虑的是3D打印技术对现有生产格局的影响以及造成的影响是否显著。作为打印金属、陶瓷和聚合物来说，三者之间的差别太过巨大。为了能够够让大家易于想象，我们采用大家最能发挥想象力和引起兴趣的食品打印为例。以食品为例，将你想要打印的想法上传到打印机，然后这一想法就会在你面前呈现出来并打印出来你所期望的样子。然而，这已经不再是科幻电影中的场景了。披萨、复杂形状的巧克力，甚至是饼干均可以打印出来，而且几乎不浪费材料。这充分显示出该技术的有用性和有效性。3D打印作为一种提供个性化服务的产品，即使是在厨房都可以轻易随时打印出独特的、令人垂涎的食品来。

作为一种已经应用于食品工业中的个性化打印设备来说，其应用触角已经延伸到许多其他个性化的领域。如Nike已经公开展示并销售了不仅质量轻而且独具个性化的足球鞋。通用电气则使用3D打印制造了飞机CFM发动机喷嘴。这一革命性的应用，将原来18个零件组合变革成一个零件，而且还减重了25%。在医疗领域，患者已经享受到个性化打印医疗器械所带来的便利。这些个性化定制的医疗植入物更适合患者的康复和骨的长入，从而显著降低了手术风险和提高整体植入物的性能。

图2 多材料打印聚合物的案例

如今，3D打印多材料已经远胜传统的单一材料的服役效果，并取得了令人瞩目的成绩。这些3D打印出来的产品具有材料-资源节约型、部件或产品具有灵活设计和自由制造、减少制造周期和提高了产品性能的优点。同时这些多材料打印的部件可以实现复杂形状和增加特殊性能的效果。

图3 多材料打印金属的案例

以已经商业化应用的巧克力打印为例，该设备可以依据你所设想的，自由调配黄油、奶油、牛轧糖、花生等，设计出个性化的巧克力，然后打印出来。这一设想和步骤，其原理同多材料打印工程材料的理念是一样的。所不同的是，打印巧克力时添加的花生到奶糖中的过程变成了添加陶瓷到金属中来增加材料的表面硬度。表面涂加的黄油换成了生物相容性涂层以提高人体植入物同人体的生物相容性。这一增加的功能是多材料3D打印发展的驱动力，而某一特定区域的功能可以在用户设计的时候用以提高产品的特殊性能。

图4 多材料金属打印的案例图

图1为传统制造工艺和3D打印工艺的对比，传统制造工艺必须先单独制造出部件来然后在通过后期的连接将其组合成一个整体。这一过程同传统工艺制作巧克力是一样的繁琐复杂。对多材料打印来说，打印复合梯度材料或渐变材料可以在一个机器中完成。聚合物材料的3D打印系最早应用的多材料打印案例。主要是因为该材料打印时相对简单而且相互间兼容性也比较好。多颜色的打印制品，如自行车头盔、足球头盔、防护手套等，均可以在满足使用功能的前提下让该物品变得更加多姿多彩，如图2所示。同时打印出的多材料打印制品，可以随环境变化而发生变化，这就是3D打印中的黑科技4D打印。尽管多材料3D打印的部件如此令人激动人心，他们大多用作概念原型来证明该多材料系统、功能的可行性。当然，也只有经历了这一原型阶段之后，多材料打印才会开始真正走进制作多材料金属复合材料打印的发展时期。3D打印单一材料已经进入了实用阶段。多材料打印中独特的连接方式使得多材料打印同传统制造工艺相比没有焊缝存在，从而有效避免或减少了应力集中带来的危害。同时多材料打印时使用的原材料基本是粉末，使得传统工艺中两者不易混合的工艺也变得十分容易。

图5 增减材复合制造工艺

多材料打印时展现出来的独特的魅力，不仅可以将两种不同的材料实现100%的混合，同时实现设计结构件性能的均一性。这一理念导致了打印In718 和GRCoP-84复合材料，这是一种无磁性和有磁性的不锈钢，Nb在Ti6Al4V中混合比例不同等，如图3。多材料打印还可以通过添加不同的物相而改变金属的性质，如二次金属强化相。而且通过控制不同的添加量，还可以控制产品的性能。

图6 激光粉末床打印MS1(马氏体不锈钢)-H13(热作模具钢)多材料的示意图

由于多材料打印可以一次成型且制造特定区域具有特殊性能的制品而成为非常有影响力和吸引力的技术。先进的金属多材料打印可以通过金属-金属、金属-陶瓷混合而实现特定区域的独特性能。同传统的局限于焊接结构相比，采用多材料打印就很容易实现功能、梯度材料的制备以提高其服役性能。金属-陶瓷材料的多材料打印，如SiC在Ti6Al4V中。同理VC在不不锈钢中，Ti6Al4V-Al2O3 中的功能梯度材料等。沉积100%的Al2O3 在Al2O3 基材中，然后逐渐过渡到打印不锈钢，在过渡到打印Ti，已经被证明有多种用途。最终还有原位合成TiB-TiN增强的Ti6Al4V合金等。

图7 多材料打印MS1-H13时界面处的EBSD图(文献2)

多材料打印是一种先进的3D打印技术，可以实现全组装或者免组装，是制备新材料和可控材料的高新技术。独特的层层堆积3D打印技术，使得多材料打印可控、梯度增加、个性化定制成为可能。多材料打印是一种革命性的新技术，会在不久的将来度我们的生产和生活产生革命性的影响。

图8激光打印多材料的示意图和实物图 (文献2)

图8 多材料金属打印的柱塞，从100%不锈钢到100%VC，文献3

本文来源：https://doi.org/10.1016/j.mser.2018.04.001,Additive manufacturing of multi-material structures,Amit Bandyopadhyay,Bryan Heer. Materials Science and Engineering: R: Reports, Volume 129, July 2018, Pages 1-16

参考文献：

1：https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.100797，Additive manufacturing of maraging steel-H13 bimetals using laser powder bed fusion technique，Additive Manufacturing，Volume 29, October 2019, 100797

2.https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2019.108888，Laser additive manufacturing of TA15 - Inconel 718 bimetallic structure via Nb/Cu multi-interlayer，Vacuum，Volume 169, November 2019, 108888

3.https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.11.007，Additive manufacturing of compositionally gradient metal-ceramic structures: Stainless steel to vanadium carbide.Thomas Gualtieri,Amit Bandyopadhya. Materials & Design,Volume 139, 5 February 2018, Pages 419-428.

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