楊繼全，施建平，翟飛琦，黃睿濤，李 娜

(南京師范大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，江蘇 南京 210023)

盡管現(xiàn)有的單材料增材制造技術(shù)和相應(yīng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計都具有應(yīng)用到多材料增材制造(multi material additive manufacturing，MMAM)領(lǐng)域的潛力，但是多材料增材制造技術(shù)要比單材料增材制造技術(shù)更復(fù)雜、難度更大。近年來，多材料模型的成形方法研究取得了一定的進展[1-3]，縱觀各種異質(zhì)零件成形方法，根據(jù)成形技術(shù)大致可分為基于微滴噴射技術(shù)的異質(zhì)零件成形方法、基于光固化技術(shù)的異質(zhì)零件成形方法、基于粉末燒結(jié)技術(shù)的異質(zhì)零件成形方法、基于擠出成形技術(shù)的異質(zhì)零件成形方法、基于直接能量沉積技術(shù)的異質(zhì)零件成形方法和基于超聲波制造方法的異質(zhì)零件成形方法。

1 基于微滴噴射技術(shù)的異質(zhì)零件成形方法

微滴噴射技術(shù)采用噴墨印刷技術(shù)或者其他類似技術(shù)通過噴嘴有選擇性地沉淀建造材料微滴以達到建造三維結(jié)構(gòu)的目的，它是一種可以加工多材料零件的快速成形技術(shù)。Solidscape公司的3D打印機是一種商業(yè)化的打印機，它采用微滴噴射與冷卻凝固技術(shù),可以打印多種類型的聚合物材料。Stratasys公司的Connex系列打印機和3D Systems公司的ProJet打印機是目前世界上多材料增材制造技術(shù)的典型代表，它們都是基于微滴噴射技術(shù)實現(xiàn)多材料零件快速成形的設(shè)備[4]。3D Systems公司的ProJet打印機噴頭可以噴射兩種獨立的材料，一種是能夠進行紫外光固化的聚合物材料(零件材料)，另外一種是類似蠟狀的材料(主要用于添加支撐結(jié)構(gòu))。Stratasys公司的Connex系列打印機噴頭包含許多個噴嘴，可以同時連續(xù)噴射多種不同的丙烯酸類聚合物，其每層成形厚度可達16 μm。

微滴噴射材料如果是黏合劑，就可以通過鋪粉加黏合劑噴射進行三維造型。其基本原理為：黏合劑微滴按照設(shè)定的形狀噴射在粉床(即建造平臺)上，然后按照第一層切片的形狀噴射粉末顆粒，之后建造平臺下降一定高度進行第二層切片的建造，即將黏合劑微滴噴射到第一層噴射的粉末顆粒上，然后按照第二層切片的形狀噴射粉末顆粒，依次循環(huán)直到整個零件建造完成。這種方法最先是由麻省理工學(xué)院提出并發(fā)展起來的。這類3D打印技術(shù)展示出了建造多種材料零件的能力，能夠用該類技術(shù)建造的材料包括陶瓷材料、金屬材料、聚合物材料等，并且該技術(shù)能夠用于建造形狀較為復(fù)雜的零件。這種微滴噴射成形系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微滴噴射成形系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)

2 基于光固化技術(shù)的異質(zhì)零件成形方法

光固化技術(shù)是基于液體光敏樹脂類材料的光聚合反應(yīng)原理工作的，主要采用紫外光等作為光源，在成形過程中逐層照射光敏樹脂類材料使之能迅速發(fā)生光聚合反應(yīng)，相對分子質(zhì)量急劇增大進而變成固態(tài)。這種成形工藝的成形零件精度較高，原材料利用率接近100% 。

目前桌面光固化3D打印機可分為兩大類：桌面SLA(立體光固化成形)和桌面DLP(數(shù)字光處理)。由于SLA和 DLP的技術(shù)途徑存在顯著差異，因此最終產(chǎn)品也會不同。SLA成形主要是點到線、線到面逐漸成形的過程，與SLA不同，DLP技術(shù)主要利用DLP投影，投影過程中將整個面的激光聚集到3D打印材料表面。中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所的研究人員在自主研發(fā)的具有磁性的柔性3D打印光敏樹脂的基礎(chǔ)上，通過改進DLP成形的3D打印機，使其能夠在垂直方向上在兩種或多種光敏樹脂間進行自由切換，發(fā)展了雙(多)材料3D打印技術(shù)，實現(xiàn)了含有磁性和非磁性部分的驅(qū)動器件的免裝配一次成形制造。得克薩斯大學(xué)的Wicker等[5]利用SLA技術(shù)開發(fā)了一種多材料成形系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用自動切換多個裝有不同材料的旋轉(zhuǎn)材料槽進行成形材料供給，實現(xiàn)多材料組分零件的成形；荷蘭屯特大學(xué)利用DLP技術(shù)開發(fā)出一種低成本的多材料快速成形系統(tǒng)——EXZEED DLP[6]；Ge等[7]基于特定聚合物的形狀自記憶特性，利用光固化技術(shù)打印出4D可編程具有自記憶功能的零件，如圖2所示。

圖2 支持多材料切換光固化多材料成形系統(tǒng)示意

3 基于粉末燒結(jié)技術(shù)的異質(zhì)零件成形方法

粉末燒結(jié)技術(shù)也是一種具有加工多材料零件潛力的添加式快速成形技術(shù)，這類技術(shù)利用熱能熔化粉末，之后將熔融粉末材料冷卻在預(yù)定位置。由于激光具有能量集中、傳播性好等特點，許多粉末燒結(jié)系統(tǒng)利用激光熔化聚合物、金屬粉末或者陶瓷材料。根據(jù)粉末材料是否全部熔融，這類系統(tǒng)可以分為激光選區(qū)燒結(jié)(selective laser sintering，SLS)和激光選區(qū)熔化(selective laser melting，SLM)，其中，前者熔融局部粉末，后者熔融全部粉末。

德國學(xué)者Regenfuss等[8]基于粉末燒結(jié)技術(shù)開發(fā)了另外一種多材料粉末燒結(jié)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示，系統(tǒng)中燒結(jié)平臺有兩個圓柱形的孔用來供給銅和銀粉末。但是該系統(tǒng)僅僅能實現(xiàn)垂直方向的材料梯度變化(見圖3(b))，不能實現(xiàn)水平方向的材料變化。

圖3 多材料燒結(jié)成型系統(tǒng)及打印的多材料模型

比利時Aerosint公司發(fā)明了一種多材料粉床3D打印工藝，實現(xiàn)了高性能聚合物3D打印，該公司開發(fā)了一種能夠提供多種粉末材料的機器，可以打印由不同材料制成的零件[9]。它使用一種新的多粉末分配技術(shù)，由多個圖案鼓(每個粉末類型一個)組成分配器，可以逐行選擇性地沉積細粉末體素。這個過程中使用惰性的粉末材料作為支撐和填充材料，這些材料長時間暴露于高溫的環(huán)境中，也不會發(fā)生化學(xué)變化或者降解，因此可以重復(fù)使用，所以幾乎可以達到零廢物。圖4所示為Aerosint公司的多材料粉末打印示意圖，有兩種材料，灰色為支撐材料，藍色為模型材料。

4 基于擠出成形技術(shù)的異質(zhì)零件成形方法

擠出成形系統(tǒng)通過逐層連續(xù)擠出材料以達到建造實體零件的目的?，F(xiàn)有的擠出成形技術(shù)依據(jù)材料是否熔融主要分為兩大類:熔融擠出成形技術(shù)和非熔融擠出成形技術(shù)。擠壓成形系統(tǒng)中經(jīng)常采用兩個或者更多個擠壓噴嘴以便能建造出多材料結(jié)構(gòu)。如圖5所示,常見的FDM(熔融沉積成形)系統(tǒng)通常采用兩種離散的材料，一種材料充當零件材料，另外一種材料供給支撐結(jié)構(gòu)，該材料在后處理過程中要能夠很容易地從建造完成的零件上移除。

圖5 熔融沉積成形工藝

5 基于直接能量沉積技術(shù)的異質(zhì)零件成形方法

直接能量沉積成形技術(shù)采用高功率能量源(如激光或電子束)對噴出的粉末或絲材進行熱熔并定向沉積，主要用于金屬零件的成形。一般可通過控制送粉器對多種粉體材料的比例進行控制，實現(xiàn)多材料零件的打印成形。美國Sciaky公司的EBAM金屬線材成形設(shè)備[10]，通過控制兩種不同材質(zhì)的金屬絲材的送料比，實現(xiàn)多材料金屬零件的熔融堆積成形打印，如圖6所示。

圖6 Sciaky公司的雙材料EBAM金屬成形設(shè)備

美國華盛頓州立大學(xué)首次實現(xiàn)利用激光近凈成形(LENS)技術(shù)一次成形出由兩種不同材料組成的梯度功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，有效縮短了制造流程，快速制造出具有多種材料的復(fù)雜構(gòu)件[11]。這種直接能量沉積增材制造技術(shù)采用激光束作為能量源，在基板上形成熔池，并在其上供給粉末。該技術(shù)可用于制造金屬和陶瓷材料零件、雙金屬材料零件和高硬度陶瓷涂層。研究人員利用LENS工藝制造出了由Ti-6Al-4V合金、Ti-6Al-4V+Al2O3復(fù)合材料和純Al2O3陶瓷不同截面所組成的金屬/陶瓷梯度結(jié)構(gòu)，并對Ti+Al2O3梯度結(jié)構(gòu)的橫截面進行顯微結(jié)構(gòu)表征、相分析、元素分布和顯微硬度測量。結(jié)果顯示,每個部分都有其獨特的微觀結(jié)構(gòu)和相結(jié)構(gòu)。此外，研究人員還采用LENS工藝，制造出了鎳鉻、銅梯度結(jié)構(gòu)。鎳基高溫合金Inconel 718是一種高溫耐腐蝕材料，在燃氣輪機和火箭發(fā)動機中得到了廣泛的應(yīng)用。研究人員通過在Inconel 718上沉積GR-Cop 84，提高了Inconel 718的熱導(dǎo)率，同時保持了Inconel 718在高溫下的高強度。與純Inconel 718合金相比，沉積GR-Cop 84后的Inconel 718熱擴散率提高250%，電導(dǎo)率提高300%，可提高飛機發(fā)動機的壽命和燃油效率，為下一代航空航天結(jié)構(gòu)件的制造開辟了新的多材料金屬增材制造方法。

6 基于超聲波制造方法的異質(zhì)零件成形方法

近年，美國Fabrisonic公司開發(fā)出一種基于超聲波的異質(zhì)零件增材制造技術(shù)——超聲波增材制造(UAM)，它采用大功率超聲能量，以金屬箔材作為原材料，利用金屬層與層之間振動摩擦產(chǎn)生的熱量，促進界面間金屬原子相互擴散并形成界面固態(tài)物理冶金結(jié)合，從而實現(xiàn)金屬帶材逐層疊加的增材制造成形，同時將固結(jié)增材過程與數(shù)控銑削等減材工藝相結(jié)合，實現(xiàn)了超聲波成形與制造一體化的超聲波增材制造技術(shù)[12]。與高能束金屬快速成形技術(shù)相比，超聲波增材制造技術(shù)具有加工溫度低、無變形、速度快、綠色環(huán)保等優(yōu)點，適合復(fù)雜疊層零部件成形、加工一體化智能制造，在航空航天裝備、能源、交通等尖端領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。

UAM是金屬3D打印技術(shù)中的一個獨特分支，擁有加工溫度低(200 ℃左右)、成形尺寸大、工件表面粗糙度較小、成形速度快等諸多主流技術(shù)(如粉末熔融成形(PBF))不具備的優(yōu)點，但同時也有著加工精度低、對懸空結(jié)構(gòu)要求嚴格等缺點。UAM工藝主要使用超聲波熔融金屬薄片，能夠?qū)崿F(xiàn)真正冶金學(xué)意義上的層層黏合，并可以使用各種金屬材料如鋁、銅、不銹鋼和鈦等。UAM工藝可以同時“打印”多金屬材料，而且不會產(chǎn)生明顯的冶金變化。該工藝能夠使用成卷的鋁或銅質(zhì)金屬箔片制造出帶有高度復(fù)雜內(nèi)部通道的金屬部件。圖7所示為Fabrisonic公司的UAM工藝原理。

圖7 Fabrisonic公司的UAM工藝原理

7 其他新型成形技術(shù)

Dimitri等[13]利用一種電磁影響技術(shù)通過對多材料零件中不同組分材料微小顆粒的控制實現(xiàn)打印過程中材料組分的變化，實現(xiàn)多材料零件成形，并基于該工藝開發(fā)了一套多材料磁輔助3D成形系統(tǒng)。Zheng等[14]將微光固化技術(shù)與纖維沉積技術(shù)相結(jié)合開發(fā)出一套多層片微結(jié)構(gòu)多材料成形系統(tǒng)。

8 結(jié)束語

可以看出，以上介紹的幾類多材料3D打印成形技術(shù)是對現(xiàn)有3D打印工藝、技術(shù)的進一步改進和組合，使得新的成形系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多種材料的按需混合成形。可以預(yù)見，隨著各類工藝、技術(shù)的不斷發(fā)展，新型多材料3D打印成形系統(tǒng)將不斷涌現(xiàn)。

傳統(tǒng)的零件設(shè)計和制造中缺少對材料特征參數(shù)的表示，傳統(tǒng)工藝的設(shè)計與加工方法很難應(yīng)用于多材料零件的打印制造，因此必須圍繞這部分新拓展的零件性質(zhì)來設(shè)計制造參數(shù)，在拓撲優(yōu)化設(shè)計、智能制造等方面展開深入研究，建立多材料零件3D打印成形的新理論和新方法。