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未来3D打印发展方向:多种材料的3D打印技术

3D打印公司Aerosint的工程师最近发表了一篇文章,概述了公司关于多种材料3D打印的畅想。正如我们在一月份报告的那样,比利时SLS专家已经尝试开发多种材料3D打印机,而这种技术的进一步发展可能对制造业产生重大变革。

多种材料3D打印对于未来的添加剂制造技术和开发它的公司来说是非常重要的,因为大多数产品往往是由一种以上的材料制成的。大规模的生产应用技术将限于诸如逆向工程替代过时部件,除非3D打印可以实现不同的材料使用同一个系统。


多种材料3D打印目前难以实现可扩展性和经济性。多种材料3D打印最常见的方法之一是用复合材料。复合材料实际上是两种不同的材料,以某种方式结合在一起。使得它们具有两种材料的性能,例如高热阻和机械强度。金属合金或纤维增强聚合物就是很好的例子。



最好的复合材料是在Aerosint的文章中被称为复合材料界的“圣杯”的功能梯度材料(FGM)。FGM不是由通常分布在基材中的增强材料组成,而是由两个或多个材料组成,每个材料之间有分级界面,以平滑的方式从一个过渡到另一个。这种组合方式提供了更好的机械分布,如果是在有明确的边界的两种材料之间,热应力和化学应力集中作用下,材料就会出现缺陷。


FGM在极端高温、机械和(或)化学应力的极端环境中最有用,这种情况下单一材料部分不可避免地会失效。在FGM中,每种材料的机械、热学或化学优点有效地抵消了另一种材料的缺点。


大多数3D打印技术能够以某种方式创建FGM。FDM 3D打印技术可以在多挤压系统中融合不同的聚合物。米其林最近展示了这种方法的可能性,将不同的聚合物结合在一起生产出一种先进的轮胎,这种轮胎在其整个结构中具有多种不同的弹性。然而,在规模和速度方面,这种方法仍然是受限的。


更先进的3D打印技术——直接金属沉积(DMD),可以以接近连续的梯度生产金属-金属和金属-陶瓷FGM复合材料。这种方法的缺点是它既昂贵又费时。技术本身要花很多钱来购买和维护,而且每一个零件必须一次制造。材料浪费是限制DMD实施的另一个严重问题,浪费率约为70%。



在未来,综合考虑效果、可扩展性、经济性等因素,FGM部件最有可能实现生产的是SLS或SLM 3D打印技术。这些技术的粉末床技术快速,成本相对较低,并能够批量生产不同大小的部件。但是大规模制造FGM复合材料还不行。使用粉末床熔融技术制造FGM复合材料的关键是将多粉末沉积系统与双材料共烧结相结合,打印过程提供体素水平控制。Aerosint是沿着这条线研究的,迄今为止已经实现了两种粉末沉积。理论上,材料的数量是无限的,并且粉末可以是聚合物、金属或陶瓷,只要流动性和粒度分布与SLS工艺兼容。


如果在3D打印中能实现多种材料相结合,可能意味着添加剂制造业的颠覆性发展。新一代的部件,不仅价格低廉而且具有精细的几何形状和先进的材料特性,能够快速生产,按需生产,那么每一个制造业都将受益。


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