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,，同時(shí)，LIFT工藝可以生產(chǎn)微米級組件

2022年8月31日,，南極熊獲悉,，曼徹斯特大學(xué)在《國際極限制造雜志》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,。

在材料沉積過程中,，供體與打印對象之間沒有接觸，因此避免了異種原材料交叉污染問題,。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),，對于實(shí)現(xiàn)良好的打印質(zhì)量至關(guān)重要。

激光參數(shù)對多材料金屬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)測軟件和仿真建模軟件，通常是針對單材料加工而設(shè)計(jì)的,，缺乏多材料加工所需的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫,。

以上所有問題都是將該技術(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)的知識空白,。魏超教授解釋說：“我們需要根據(jù)最終部件的要求來選擇合適的工藝,。在此之前，了解現(xiàn)有方法,，對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）

多材料金屬3D打印技術(shù)的未來潛力
該技術(shù)作為一個(gè)新興工藝,，具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢，通過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論說：“與傳統(tǒng)的制造方法相比,，該技術(shù)在簡化制造過程,、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,。我們目前的工作僅能打開這個(gè)新研究的大門,，我們希望更多的研究人員能夠進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域，共同推動多材料金屬3D打印技術(shù)的發(fā)展,�,！�

南極熊總結(jié)，未來的多材料金屬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)，需要高通量優(yōu)化工藝參數(shù),，基于人工智能的質(zhì)量監(jiān)控,，和評估打印部件的長期可靠性需要進(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,，通過學(xué)術(shù)界的協(xié)同研究，這些問題最終會得到解決,。