隨著產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員越來(lái)越意識(shí)到金屬增材制造的可能性及其提供的設(shè)計(jì)自由度，激光粉末床熔融金屬3D打印(L-PBF) 已在眾多行業(yè)中建立了系列應(yīng)用。 L-PBF的一項(xiàng)尚未得到充分開(kāi)發(fā)的應(yīng)用是生產(chǎn)多材料金屬零件，這將為許多行業(yè)的設(shè)計(jì)人員提供巨大的新潛力。

構(gòu)建平臺(tái)上的鎳銅燃燒室演示部件
© Fraunhofer IGCV

       多材料AM-增材制造為設(shè)計(jì)具有改進(jìn)性能的復(fù)雜、功能性、高度個(gè)性化和高附價(jià)產(chǎn)品提供了多種機(jī)會(huì)，不同比例的材料集成可以定制組件的性能，包括電學(xué)、熱學(xué)、機(jī)械、光學(xué)和多功能性能。

多材料的一般分類(lèi)和性能改進(jìn)

© 3D科學(xué)谷白皮書(shū)

 工藝鏈挑戰(zhàn)

     仔細(xì)觀察增材制造的工業(yè)應(yīng)用就會(huì)發(fā)現(xiàn)，批量生產(chǎn)通常是在高科技應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)的。這不僅是因?yàn)樵诟呖萍碱I(lǐng)域需要最大的設(shè)計(jì)自由度以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的組件性能，而且還因?yàn)樵诖祟?lèi)應(yīng)用中更可能接受更高的制造成本。

       根據(jù) 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(jù)3D科學(xué)谷《金屬與金屬 l 多材料和蜂窩超材料的3D打印設(shè)計(jì)、特性、應(yīng)用、挑戰(zhàn)》一文，F(xiàn)raunhofer IGCV研究所在SLM Solutions的SLM 280 設(shè)備上3D打印的雙金屬熱交換器，配備了Fraunhofer IGCV專(zhuān)有的MultiMaterial 粉末沉積解決方案。

多材料加工的工藝鏈挑戰(zhàn)

 預(yù)處理

      首先，材料分布需要由設(shè)計(jì)者定義，這可以通過(guò)應(yīng)用設(shè)計(jì)師自己的專(zhuān)業(yè)知識(shí)或使用模擬工具來(lái)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(duì)于每個(gè)材料部分，需要一個(gè)單獨(dú)的模型（子模型），以便允許用于在 L-PBF加工過(guò)程進(jìn)行合適的凝固參數(shù)設(shè)置。

多材料 L-PBF-LB/M 的零件建模：每個(gè)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(gè)子模型來(lái)以幾何方式描述材料之間的過(guò)渡區(qū)域。對(duì)于每個(gè)部分的模型，構(gòu)建過(guò)程通常需要特定參數(shù)，以確保生產(chǎn)的材料具有足夠的質(zhì)量。這意味著，例如，為了獲得高相對(duì)密度值和無(wú)裂紋材料，每個(gè)材料區(qū)域的激光功率、掃描速度和填充距離可能會(huì)有所不同。這是由于粉末特性、電導(dǎo)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(shù)化

位于德國(guó)奧格斯堡 Fraunhofer IGCV 實(shí)驗(yàn)室的 SLM Solutions SLM® 280 2.0 機(jī)器的構(gòu)建室內(nèi)部視圖，該機(jī)器能夠生產(chǎn)多材料零件。這是Fraunhofer IGCV開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)原理，簡(jiǎn)而言之，雙室重涂機(jī)用于在一次構(gòu)建作業(yè)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(gè)粉末層。因此，多材料循環(huán)遵循以下步驟：

- 步驟1: 材料 A 應(yīng)用于第 n 層并根據(jù)其 CAD 設(shè)計(jì)進(jìn)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(jù) CAD 設(shè)計(jì)，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(gòu)建室中

- 步驟4: 構(gòu)建平臺(tái)降低一層高度，并對(duì)第 n+1 層重復(fù)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(gòu)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(shí)驗(yàn)室的多材料 SLM® 280 2.0 機(jī)器內(nèi)部視圖

© Fraunhofer IGCV

 后期處理

除了單一材料加工中已經(jīng)熟悉的挑戰(zhàn)（例如從零件中去除松散粉末或去除支撐結(jié)構(gòu)）之外，粉末混合物的分離是多材料加工帶來(lái)的關(guān)鍵額外挑戰(zhàn)。在步驟 1-4 中描述的涂層過(guò)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(jié)果。理論上，僅去除一層粉末就足夠了。這將從構(gòu)建室中完全移除材料 A，僅留下材料 B。而且，只有材料A會(huì)留在抽吸裝置中。然而，現(xiàn)有技術(shù)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(lái)需要對(duì)粉末混合物回收利用的原理進(jìn)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(yīng)用的技術(shù)準(zhǔn)備水平）

根據(jù)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(wú)重疊粒度分布的粉末，則也可以通過(guò)篩子利用這種差異在下游進(jìn)行分離。此外，還有其他物理原理，但它們目前對(duì)增材制造的適用性仍然明顯低于磁分離或篩分。不過(guò)，并不總是需要以 100% 分離粉末材料為目標(biāo)，以便能夠再次重復(fù)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(yè)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(fā)動(dòng)機(jī)噴射噴嘴）的工業(yè)用例

多材料組件可以根據(jù)組件要求充分利用特定材料的優(yōu)勢(shì)。例如，耐磨耐熱鋼可以與具有良好導(dǎo)熱性的銅合金組合，用于大缸徑發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用。在這方面，F(xiàn)raunhofer IGCV 和 MAN聯(lián)合研究了噴射噴嘴，通過(guò)多材料設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)在高應(yīng)力區(qū)域采用銅芯，從而改善噴嘴的溫度控制，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

第二個(gè)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(guò)程中的擴(kuò)散導(dǎo)致兩個(gè)區(qū)域之間的漸變過(guò)渡。所使用的工藝允許選擇性地設(shè)置和調(diào)整邊緣層的厚度。例如，這使得可以在齒面產(chǎn)生最佳的硬度分布，同時(shí)在齒根中產(chǎn)生針對(duì)承載能力優(yōu)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(chǎn)生完整的馬氏體表面層。因此，此處顯示的結(jié)果具有齒輪制造的潛力。

圖：由兩種鋼組成的齒輪的工業(yè)用例，采用多材料金屬粉末床熔融技術(shù)生產(chǎn)

另外一個(gè)例子來(lái)自航天工業(yè)，航天發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室面臨著高熱負(fù)荷，但也需要盡可能輕。建造的艙室性能越高，對(duì)火箭來(lái)說(shuō)就越好。所需的推進(jìn)器室所需的質(zhì)量越小，可以用于太空運(yùn)輸?shù)挠行лd荷就越多。由于這些原因，航天是增材制造的核心產(chǎn)業(yè)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(yù)計(jì)銅基區(qū)域?qū)⒂糜谠黾觽鳠帷?/span>

除粉過(guò)程中用于太空應(yīng)用的鎳銅燃燒室演示模型

© Fraunhofer IGCV

      國(guó)內(nèi)，根據(jù)2023年增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)布的航天發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件多材料一體化制造典型應(yīng)用場(chǎng)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(shí)支持最多六種金屬粉末的輸送，并開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用的混粉功能模塊，實(shí)現(xiàn)多路金屬粉末的原位均勻混合。針對(duì)多路送粉功能開(kāi)發(fā)了送粉控制軟件，研究人員可通過(guò)預(yù)先的材料成分設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)更改增材制造過(guò)程中材料的配比，實(shí)現(xiàn)均勻過(guò)渡。

      總之，某些材料配對(duì)（例如銅和鋼）的技術(shù)準(zhǔn)備程度足以實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。并且已經(jīng)有研究表明，在堆積過(guò)程中混合的粉末材料隨后可以利用磁力分離進(jìn)行分選，純度幾乎為 100%。與鋼-銅材料組合相比，目前的技術(shù)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(jīng)濟(jì)，因?yàn)榉勰┑目芍貜?fù)使用性通常被視為經(jīng)濟(jì)效率的中心標(biāo)準(zhǔn)。

(責(zé)任編輯：admin)

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