基于激光的多材料金屬3D打印技術(shù)進(jìn)展

南極熊導(dǎo)讀：與一般的3D打印技術(shù)(AM)方法相比，多材料3D打印技術(shù)(MMAM)可實(shí)現(xiàn)更高水平的設(shè)計(jì)自由度，例如整合材料、結(jié)構(gòu)和功能以實(shí)現(xiàn)可定制的功能（局部耐磨性、高導(dǎo)熱性、熱絕緣、耐化學(xué)腐蝕等）。然而現(xiàn)階段，金屬材料的MMAM技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室階段。

△激光金屬沉積(LMD)、基于激光粉末床熔合(LPBF)和激光誘導(dǎo)正向轉(zhuǎn)移(LIFT)具有制造多種金屬材料的能力。LMD和LPBF打印樣品的尺寸可以達(dá)到米級(jí)，同時(shí)，LIFT工藝可以生產(chǎn)微米級(jí)組件

2022年8月31日，南極熊獲悉，曼徹斯特大學(xué)在《國(guó)際極限制造雜志》上的一項(xiàng)研究，總結(jié)了基于激光的多材料金屬3D打印技術(shù)(MMAM)最新進(jìn)展，包括激光粉末床融合(LPBF)、基于激光的定向能量沉積(L-DED)和激光誘導(dǎo)前向轉(zhuǎn)移(LIFT)，用于多種金屬材料的宏觀和微觀制造。

技術(shù)背景
由于不同粉末材料沉積機(jī)制的各種新發(fā)明，使用LPBF方法和LDED方法生產(chǎn)大型多材料零件已成為現(xiàn)實(shí)。該技術(shù)可廣泛用于航空航天、海洋、核電和醫(yī)療行業(yè)的集成功能組件制造。

對(duì)于多個(gè)金屬物體的微3D打印制造，目前主要采用固體LIFT和流體LIFT技術(shù)，因?yàn)樗鼈兊牟牧限D(zhuǎn)移機(jī)制，將金屬液滴從一個(gè)供體板噴射到建筑基材上，非常適合將不同材料打印在一起。

在材料沉積過(guò)程中，供體與打印對(duì)象之間沒(méi)有接觸，因此避免了異種原材料交叉污染問(wèn)題。微尺度金屬3D打印技術(shù)的潛在應(yīng)用包括：3D微尺度金屬結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)能元件、電子元件、生物分子、生化傳感器和細(xì)胞，甚至直接將功能器件轉(zhuǎn)移到其他部件的表面。

△曼徹斯特大學(xué)開(kāi)發(fā)的多材料LBPF技術(shù)工藝流程和實(shí)驗(yàn)裝置相關(guān)示意圖

基于激光的MMAM技術(shù)的問(wèn)題
該技術(shù)仍處于早期階段，因此還有很多的技術(shù)難題需要解決。曼徹斯特大學(xué)李林教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，報(bào)告了該領(lǐng)域的最新進(jìn)展，并指出了未來(lái)具有高價(jià)值目標(biāo)的研究課題。

由于不同的材料分配挑戰(zhàn)（如何在空間所需區(qū)域中沉積正確的材料），多材料金屬3D打印技術(shù)的設(shè)備，可能與傳統(tǒng)單材料打印工藝有很大不同。這項(xiàng)研究總結(jié)了材料輸送方法、異種材料的連接、加工參數(shù)和打印多材料金屬3D打印組件的性能。

介紹了每種多材料金屬3D打印方法的材料輸送方法，并比較了它們的優(yōu)點(diǎn)。介紹了三種典型的異種材料連接方法。該工藝打印功能梯度材料(FGM)的成分在不斷變化，因此，每種材料成分的優(yōu)化激光參數(shù)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)良好的打印質(zhì)量至關(guān)重要。

激光參數(shù)對(duì)多材料金屬3D打印微觀結(jié)構(gòu)的影響，也可能與傳統(tǒng)單材料3D打印技術(shù)顯著不同，例如相變、金屬間化合物的形成和最終的機(jī)械性能。目前商用的3D設(shè)計(jì)軟件、相變預(yù)測(cè)軟件和仿真建模軟件，通常是針對(duì)單材料加工而設(shè)計(jì)的，缺乏多材料加工所需的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)。

以上所有問(wèn)題都是將該技術(shù)，從實(shí)驗(yàn)室研究推向?qū)嶋H工業(yè)應(yīng)用需要填補(bǔ)的知識(shí)空白。魏超教授解釋說(shuō)：“我們需要根據(jù)最終部件的要求來(lái)選擇合適的工藝。在此之前，了解現(xiàn)有方法，對(duì)于用戶選擇制造方法非常重要�！�

△獲取曼徹斯特大學(xué)，關(guān)于《基于激光的多金屬材料增材制造概述：從宏觀到微觀》研究報(bào)告的更多內(nèi)容（傳送門(mén)）

多材料金屬3D打印技術(shù)的未來(lái)潛力
該技術(shù)作為一個(gè)新興工藝，具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)組合不同的材料賦予一個(gè)組件不同的特性，這為3D打印組件提供了一個(gè)新的自由度。在潛在領(lǐng)域中，魏教授表示，“基于激光的多材料金屬3D打印技術(shù)，例如，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的金屬功能3D結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)能組件和打印組織器官等方面具有巨大潛力�！�

主要研究人員之一李林教授評(píng)論說(shuō)：“與傳統(tǒng)的制造方法相比，該技術(shù)在簡(jiǎn)化制造過(guò)程、增加設(shè)計(jì)自由度、減少原型制造的時(shí)間和成本方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。我們目前的工作僅能打開(kāi)這個(gè)新研究的大門(mén)，我們希望更多的研究人員能夠進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域，共同推動(dòng)多材料金屬3D打印技術(shù)的發(fā)展。”

南極熊總結(jié)，未來(lái)的多材料金屬3D打印技術(shù)，研究顯然是多學(xué)科的，涉及機(jī)械工程、制造工程、材料科學(xué)、電子學(xué)、光子學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科。它集成了復(fù)雜的混合制造系統(tǒng)，需要高通量?jī)?yōu)化工藝參數(shù)，基于人工智能的質(zhì)量監(jiān)控，和評(píng)估打印部件的長(zhǎng)期可靠性需要進(jìn)一步研究。但我們相信，在實(shí)際產(chǎn)業(yè)應(yīng)用需求的指導(dǎo)下，通過(guò)學(xué)術(shù)界的協(xié)同研究，這些問(wèn)題最終會(huì)得到解決。