隨著產品開發人員越來越意識到金屬增材制造的可能性及其提供的設計自由度，激光粉末床熔融金屬3D打印(L-PBF) 已在眾多行業中建立了系列應用。 L-PBF的一項尚未得到充分開發的應用是生產多材料金屬零件，這將為許多行業的設計人員提供巨大的新潛力。

構建平臺上的鎳銅燃燒室演示部件
© Fraunhofer IGCV

       多材料AM-增材制造為設計具有改進性能的復雜、功能性、高度個性化和高附價產品提供了多種機會，不同比例的材料集成可以定制組件的性能，包括電學、熱學、機械、光學和多功能性能。

多材料的一般分類和性能改進

© 3D科學谷白皮書

 工藝鏈挑戰

     仔細觀察增材制造的工業應用就會發現，批量生產通常是在高科技應用中實現的。這不僅是因為在高科技領域需要最大的設計自由度以實現優化的組件性能，而且還因為在此類應用中更可能接受更高的制造成本。

       根據 ISO/ASTM TR 52912的定義，多材料組件的特征是存在至少兩種牢固粘合在一起的不同材料。根據3D科學谷《金屬與金屬 l 多材料和蜂窩超材料的3D打印設計、特性、應用、挑戰》一文，Fraunhofer IGCV研究所在SLM Solutions的SLM 280 設備上3D打印的雙金屬熱交換器，配備了Fraunhofer IGCV專有的MultiMaterial 粉末沉積解決方案。

多材料加工的工藝鏈挑戰

 預處理

      首先，材料分布需要由設計者定義，這可以通過應用設計師自己的專業知識或使用模擬工具來完成，一旦知道所需的材料分布，就需要為增材制造工藝生成零件的子模型，對于每個材料部分，需要一個單獨的模型（子模型），以便允許用于在 L-PBF加工過程進行合適的凝固參數設置。

多材料 L-PBF-LB/M 的零件建模：每個材料部分需要自己的子模型

      除了按材料生成的子模型之外，還需要第三個子模型來以幾何方式描述材料之間的過渡區域。對于每個部分的模型，構建過程通常需要特定參數，以確保生產的材料具有足夠的質量。這意味著，例如，為了獲得高相對密度值和無裂紋材料，每個材料區域的激光功率、掃描速度和填充距離可能會有所不同。這是由于粉末特性、電導率和吸收率等方面存在不同的材料特性。

多材料零件的加工參數化

位于德國奧格斯堡 Fraunhofer IGCV 實驗室的 SLM Solutions SLM® 280 2.0 機器的構建室內部視圖，該機器能夠生產多材料零件。這是Fraunhofer IGCV開發的設計原理，簡而言之，雙室重涂機用于在一次構建作業中提供兩種粉末材料。此外，涂覆軸配備有抽吸裝置，能夠去除多個粉末層。因此，多材料循環遵循以下步驟：

- 步驟1: 材料 A 應用于第 n 層并根據其 CAD 設計進行固化

- 步驟2: 未凝固的粉末材料A被抽吸裝置除去

- 步驟3: 根據 CAD 設計，材料 B 被涂覆在第 n 層并固化，未固化的粉末材料 B 保留在構建室中

- 步驟4: 構建平臺降低一層高度，并對第 n+1 層重復步驟 1

- 其他步驟: 遵循上述步驟中描述的原理，材料 B 保留在構建室中，而材料 A 則不斷地被抽吸裝置吸取。

弗勞恩霍夫Fraunhofer IGCV 實驗室的多材料 SLM® 280 2.0 機器內部視圖

© Fraunhofer IGCV

 后期處理

除了單一材料加工中已經熟悉的挑戰（例如從零件中去除松散粉末或去除支撐結構）之外，粉末混合物的分離是多材料加工帶來的關鍵額外挑戰。在步驟 1-4 中描述的涂層過程中，兩種粉末材料的混合是不可避免的。這是步驟 2（使用抽吸裝置去除未固化粉末材料 A）的結果。理論上，僅去除一層粉末就足夠了。這將從構建室中完全移除材料 A，僅留下材料 B。而且，只有材料A會留在抽吸裝置中。然而，現有技術還不允許如此精確地去除粉末層。這意味著目前通常抽吸三層或更多層高度以避免污染。因此，將來需要對粉末混合物回收利用的原理進行更深入的研究。

圖：粉末混合物回收利用的確定原則（AM-TRL：增材制造應用的技術準備水平）

根據所使用的粉末材料的特性，各種原理是已知的。例如，如果一種粉末材料具有磁性，但第二種粉末材料不具有磁性，則可以使用磁粉分離。如果可以加工不同且無重疊粒度分布的粉末，則也可以通過篩子利用這種差異在下游進行分離。此外，還有其他物理原理，但它們目前對增材制造的適用性仍然明顯低于磁分離或篩分。不過，并不總是需要以 100% 分離粉末材料為目標，以便能夠再次重復使用它們。所需的純度水平很大程度上取決于材料組合。

 多材料零件的工業潛力和示例

圖：與 MAN Energy Solutions SE 合作研究的多材料金屬粉末床熔融（大缸徑發動機噴射噴嘴）的工業用例

多材料組件可以根據組件要求充分利用特定材料的優勢。例如，耐磨耐熱鋼可以與具有良好導熱性的銅合金組合，用于大缸徑發動機應用。在這方面，Fraunhofer IGCV 和 MAN聯合研究了噴射噴嘴，通過多材料設計預計在高應力區域采用銅芯，從而改善噴嘴的溫度控制，以提高發動機性能。

第二個例子是兩種鋼組成的齒輪，圖片顯示了由兩種鋼組成的齒輪的截面，由于激光的作用，碳在熔化和加熱過程中的擴散導致兩個區域之間的漸變過渡。所使用的工藝允許選擇性地設置和調整邊緣層的厚度。例如，這使得可以在齒面產生最佳的硬度分布，同時在齒根中產生針對承載能力優化的硬度分布。不需要隨后的表面硬化。只需加熱和淬火即可產生完整的馬氏體表面層。因此，此處顯示的結果具有齒輪制造的潛力。

圖：由兩種鋼組成的齒輪的工業用例，采用多材料金屬粉末床熔融技術生產

另外一個例子來自航天工業，航天發動機燃燒室面臨著高熱負荷，但也需要盡可能輕。建造的艙室性能越高，對火箭來說就越好。所需的推進器室所需的質量越小，可以用于太空運輸的有效載荷就越多。由于這些原因，航天是增材制造的核心產業之一，特別是多材料增材制造。鎳基合金將用作腔室的耐熱基體，并且預計銅基區域將用于增加傳熱。

除粉過程中用于太空應用的鎳銅燃燒室演示模型

© Fraunhofer IGCV

      國內，根據2023年增材制造產業聯盟發布的航天發動機關鍵零部件多材料一體化制造典型應用場景，中科煜宸的增材制造裝備在功能梯度材料的制備上集成了多通道送粉裝置，可同時支持最多六種金屬粉末的輸送，并開發了專用的混粉功能模塊，實現多路金屬粉末的原位均勻混合。針對多路送粉功能開發了送粉控制軟件，研究人員可通過預先的材料成分設計，實時更改增材制造過程中材料的配比，實現均勻過渡。

      總之，某些材料配對（例如銅和鋼）的技術準備程度足以實現工業應用。并且已經有研究表明，在堆積過程中混合的粉末材料隨后可以利用磁力分離進行分選，純度幾乎為 100%。與鋼-銅材料組合相比，目前的技術水平使得很難組合在所有方面（例如密度、磁化性、晶粒尺寸分布）都非常相似的材料。在這種情況下，粉末分離很困難，因此目前多材料加工不是很經濟，因為粉末的可重復使用性通常被視為經濟效率的中心標準。

(責任編輯：admin)

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