最近3D打印行業(yè)的一個(gè)流行語(yǔ)是“多材質(zhì)”。在桌面3D打印機(jī)方面，已經(jīng)能夠在一個(gè)版本中使用多種材料進(jìn)行打印，但工業(yè)3D打印也有許多多材料的開(kāi)發(fā)。這包括復(fù)合材料，如纖維增強(qiáng)聚合物。但Aerosint公司的研發(fā)工程師Kevin Eckes博士表示，復(fù)合材料的“圣杯”是功能分級(jí)材料（FGM）。

    去年秋天，Eckes向我們介紹了Aerosint在多材料粉末床3D打印方面的獨(dú)特方法，他們?cè)贛edium上共享的內(nèi)容中分享了更深入的視角。他最近與我們分享了他關(guān)于FGMs的最新作品。

    “與傳統(tǒng)的復(fù)合材料不同，傳統(tǒng)的復(fù)合材料中，增強(qiáng)材料分布在整個(gè)基體材料中，F(xiàn)GMs是復(fù)合材料，其中兩種材料通過(guò)漸變界面連接在一起，以避免兩種散裝材料之間出現(xiàn)明顯的界限，”Eckes解釋說(shuō)。“創(chuàng)建這種漸變的目的是在一個(gè)更大的體積上分布熱和機(jī)械應(yīng)力，否則這些應(yīng)力會(huì)集中在一個(gè)明顯的材料邊界并導(dǎo)致部件開(kāi)裂或破損。”

    FGM由于其抗失效性能，在高溫、化學(xué)或機(jī)械應(yīng)力的極端環(huán)境中非常有用，而單一材料部件可能會(huì)發(fā)生故障。FGM零件的一個(gè)例子是金屬對(duì)陶瓷板，其中兩種材料抵消彼此的弱點(diǎn)并增強(qiáng)彼此的優(yōu)勢(shì)。陶瓷本身是堅(jiān)硬的、耐化學(xué)性和耐熱性的，但它也脆且具有低沖擊韌性。另一方面，金屬具有很高的沖擊韌性，但它很容易被強(qiáng)酸和堿腐蝕，加熱時(shí)其機(jī)械性能受損。然而，把這兩種材料放在一起，它們幾乎是堅(jiān)不可摧的。

    Eckes說(shuō)：“金屬對(duì)陶瓷的FGM能夠承受陶瓷表面的高溫和苛刻的化學(xué)環(huán)境，同時(shí)通過(guò)金屬增強(qiáng)保持整體強(qiáng)度和抗脆性斷裂的能力。”

    日本國(guó)家航空航天科技實(shí)驗(yàn)室的研究人員首先開(kāi)始使用金屬陶瓷FGM試圖為可重復(fù)使用的太空飛行器創(chuàng)造有效的耐用熱障。他們發(fā)現(xiàn)，在鎳基高溫合金基體上由鎳基超合金和穩(wěn)定化氧化鋯的成分梯度層組成的板可承受超過(guò)1000℃的熱梯度而不會(huì)開(kāi)裂。在相同的條件下，100％的鎳高溫合金涂覆100％的氧化鋯和鉻合金作為松弛層，以具有熱疲勞特性。

    金屬對(duì)金屬FGM也很有用。例如，鋼銅FGM將低成本和高強(qiáng)度鋼與銅的高導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性結(jié)合在一起。在最近的一個(gè)例子中，研究人員創(chuàng)建了一個(gè)注塑成型工具，該成型工具具有一個(gè)鋼制成型表面和一個(gè)塊狀銅體，并與專(zhuān)有的緩沖層材料相連。由于銅的高電導(dǎo)率，模具冷卻時(shí)間縮短了10秒，整體模具周期縮短了26％。該公司估計(jì)，提高生產(chǎn)力可以為他們每年節(jié)省大約60,000美元。

    也有聚合物對(duì)聚合物FGMs，其中剛性和柔性聚合物可以組合在一起，例如在機(jī)械手中具有柔性接頭的剛性臂，或者耐磨聚合物可以接合到用于非金屬軸承或運(yùn)動(dòng)部件的堅(jiān)韌聚合物。

    “研究文獻(xiàn)中描述的用于創(chuàng)建FGM的大多數(shù)方法都只能創(chuàng)建1D梯度，這僅適用于有限數(shù)量的應(yīng)用，例如耐用熱障，”Eckes繼續(xù)說(shuō)道。“要?jiǎng)?chuàng)建具有完全3D自由度的多材料部件和FGM，我們需要在材料布局上進(jìn)行體素級(jí)空間控制。目前市場(chǎng)上的幾種AM技術(shù)都具有這種成分控制能力，但它們主要面向原型制造或一次性部件制造。”

    Aerosint專(zhuān)注于多粉末沉積，其中粉末體素可選擇性地從旋轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)移到構(gòu)建表面。盡管迄今為止，Aerosint已經(jīng)在理論上證明了兩種粉末沉積，但是可以對(duì)許多材料進(jìn)行圖案化。材料可以是金屬、聚合物或陶瓷，只要粉末的流動(dòng)性和粒度分布與工藝兼容即可。

    “我們工藝中最根本的挑戰(zhàn)是雙材料整合或燒結(jié)，”Eckes說(shuō)。“共熔燒結(jié)兩種材料的熔融溫度或燒結(jié)溫度差異很大，存在明顯的物理限制。盡管如此，許多研究人員已經(jīng)通過(guò)審慎選擇具有兼容性能的材料證明了金屬-金屬和金屬-陶瓷共燒結(jié)。這些組合不是無(wú)限的，但我們認(rèn)為它們足夠豐富，可以創(chuàng)造出一系列有用的FGMs。”

    根據(jù)Eckes的說(shuō)法，多粉末沉積和雙材料共燒結(jié)的結(jié)合是實(shí)現(xiàn)材料高效、快速的多材料3D打印的最有效方法之一。Aerosint正在與研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者建立合作伙伴關(guān)系，這些機(jī)構(gòu)和學(xué)者在材料共燒結(jié)和金屬、陶瓷3D打印方面具有專(zhuān)業(yè)知識(shí)。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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