如何使用粉末沉積工藝實現(xiàn)便宜、可擴展的多層材料3D打印

3D打印公司Aerosint的工程師日前發(fā)表了一篇文章，概述了該公司對多材料3D打印未來的看法。正如我們之前報道，比利時SLS專家已經(jīng)嘗試開發(fā)多種材料的3D打印機，而且這項技術的進一步發(fā)展可能會對制造業(yè)產(chǎn)生轉型效應。多材料3D打印對于增材制造技術的未來以及開發(fā)這種技術的公司來說非常重要，因為大多數(shù)產(chǎn)品往往是由多種材料制成的。在同一系統(tǒng)同時3D打印不同材料變得更加容易之前，該技術的大規(guī)模生產(chǎn)應用仍將局限于過時元件的反向工程替換等。

目前在可擴展性和經(jīng)濟性方面難以實現(xiàn)多材料3D打印。 3D打印多種材料的最常用方法之一就是復合材料。復合材料實際上是兩種不同的材料，以各種方式結合在一起。例如，這使它們具有兩種材料的特性的組合，例如高耐熱性和機械強度。金屬合金或纖維增強聚合物是這種復合材料的很好例子。

功能梯度材料（FGM）可以說是Aerosint文章中稱為復合材料世界的“圣杯”的最佳類型的復合材料。代替通常情況下的增強材料分布在整個基礎材料中，F(xiàn)GM由兩種或兩種以上材料組成，每種材料之間有漸變界面，從一個平滑過渡到另一個。與兩種材料之間的明顯界限處的濃度相比，這提供了更好的機械、熱和化學應力分布，這將導致弱點。

FGM在非常高的熱應力、機械應力和/或化學應力的極端環(huán)境中非常有用，其中單一材料部件將不可避免地失效。在FGM中，每種材料的機械，熱學或化學優(yōu)勢有效地抵消了另一種材料的缺點。

大多數(shù)3D打印技術都能夠以這種或那種方式創(chuàng)建FGM。 FDM 3D打印技術可以將多種聚合物熔合在一起，形成多層擠出系統(tǒng)。為了展示這種方法的可能性，米其林最近將不同的聚合物結合起來生產(chǎn)出先進概念輪胎，該輪胎在其整個結構中具有非常不同的彈性。然而，這種方法在規(guī)模和速度方面仍然有限。大規(guī)模生產(chǎn)的需求意味著FDM仍然局限于生產(chǎn)原型。

更先進的3D打印技術 - 直接金屬沉積（DMD）可以生產(chǎn)具有接近連續(xù)梯度的金屬 - 金屬和金屬 - 陶瓷FGM復合材料。這種方法的缺點是費用昂貴且費時。技術本身花費很多，購買和維護，每個部分必須一次一個。材料浪費是另一個嚴重問題，防止DMD得到更多實施，浪費率約為70％。

在未來，F(xiàn)GM零件的有效、可擴展、可負擔得起的生產(chǎn)可能最有可能是SLS或SLM 3D打印技術。這些粉末床技術快速，相對便宜，并且能夠生產(chǎn)各種尺寸的批次。然而，他們一直大規(guī)模制造FGM復合材料的方法尚未得到證實。使用粉末床融合技術創(chuàng)建FGM復合材料的關鍵是與雙材料共燒結相結合的多粉末沉積系統(tǒng)，可在打印過程中提供體素級控制。 Aerosint公司正在沿著這些路線開發(fā)一些產(chǎn)品，并且迄今為止已經(jīng)實現(xiàn)了雙粉末沉積。理論上，材料的數(shù)量是無限的，只要流動性和粒度分布與SLS工藝兼容，粉末可以是聚合物、金屬或陶瓷。

如果要實現(xiàn)3D打印中多材料復合材料的集成，這可能意味著增材制造的可能性的巨大擴展。每一個制造業(yè)都將從新一代價格合理的零部件中受益，這些零部件具有復雜的幾何形狀和先進的材料屬性，能夠按需快速生產(chǎn)。

來源：3D虎