多材料結(jié)構(gòu)的增材制造（1）

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：本綜述旨在重點(diǎn)介紹3D打印聚合物基，金屬金屬和金屬陶瓷應(yīng)用的范圍，同時(shí)討論增材制造多材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。

增材制造（AM）或3D打印通過其快速和幾何復(fù)雜性以及經(jīng)濟(jì)效益徹底改變了制造業(yè)。在過去十年中，汽車、航空航天、醫(yī)療甚至食品行業(yè)的無數(shù)企業(yè)都采用了這種方法。盡管這場革命在單一材料使用中引發(fā)了廣泛的創(chuàng)新，但制造業(yè)正在不斷發(fā)展。3D打印機(jī)現(xiàn)在能夠創(chuàng)建多材料系統(tǒng)，并在用戶可定義的位置進(jìn)行性能改進(jìn)。這意味著在整個(gè)單個(gè)組件中，可以在最需要它的領(lǐng)域定義硬度，耐腐蝕性和環(huán)境適應(yīng)性等屬性。這些新工藝允許構(gòu)建令人興奮的多功能部件，而這些部件是通過傳統(tǒng)的單一材料AM工藝永遠(yuǎn)無法實(shí)現(xiàn)的。目前正在評(píng)估金屬、陶瓷和聚合物的增材制造，以在一次操作中結(jié)合多種材料，并且已經(jīng)生產(chǎn)了以前從未生產(chǎn)過的零件。雖然多材料AM仍處于起步階段，但研究人員正在將他們的思維方式轉(zhuǎn)向這種獨(dú)特的方法，這表明該技術(shù)正開始超越研發(fā)階段，進(jìn)入現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用。本綜述旨在重點(diǎn)介紹3D打印聚合物基，金屬金屬和金屬陶瓷應(yīng)用的范圍，同時(shí)討論增材制造多材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。

1. 介紹
增材制造(AM)或3D打印包含三個(gè)基本概念的革命性想法:通用、實(shí)用和高效。當(dāng)你考慮到3D打印是多么的“通用”，以及它已經(jīng)影響了哪些領(lǐng)域，其影響是相當(dāng)顯著的。這可能是金屬、聚合物和陶瓷材料的巨大飛躍，想象一下能夠3D打印地球上每個(gè)人一度都渴望的東西:食物。想象你的食物，把它上傳到打印機(jī)上，然后看到它直接在你面前打印出你的食物，這已經(jīng)不再是未來的想法了。披薩、形狀復(fù)雜的巧克力，甚至蛋糕都是用3D打印的，幾乎沒有任何材料浪費(fèi)，證明了這一過程的實(shí)用性和效率。由于3D打印是一個(gè)完全可定制的過程，即使只是去廚房一趟，也會(huì)受到打印獨(dú)特的、令人垂涎的食物的能力的影響(表1)。

表1 縮寫詞

雖然這種定制對基于食物的應(yīng)用很有吸引力，但3D打印在整個(gè)STEM領(lǐng)域?qū)�個(gè)性化部件的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了巨大的吸引力。耐克公司發(fā)布了一款3D打印的足球防滑鞋，它優(yōu)化了防滑鞋的牽引力，同時(shí)減輕了鞋子的重量，這完全改變了消費(fèi)者對鞋子性能的看法。通用電氣(General Electric)推出的CFM LEAP新型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)采用了增材制造的燃料噴嘴，這使得發(fā)動(dòng)機(jī)只剩下一個(gè)部件，比之前使用的整個(gè)由18個(gè)部件組成的系統(tǒng)輕25%。甚至醫(yī)療行業(yè)和患者也從3D打印技術(shù)中受益匪淺，3D打印植入物可以為特定的患者量身定制，減少手術(shù)和恢復(fù)時(shí)間。為患者量身定制這些植入物也可以得到更合適的產(chǎn)品，這可以減少外觀缺陷，提高整體植入物性能。

在數(shù)控機(jī)床上用鋁合金(7075)制造的方支架零件。

為了說明設(shè)計(jì)方法，研究人員將展示一個(gè)方支架零件的重新設(shè)計(jì)(上圖)。原來的零件是在“Fortal”(鋁合金7075)的五軸數(shù)控機(jī)床上制造的。它由兩個(gè)平面組成，每個(gè)平面有八個(gè)孔，作為安裝零件的界面，并傳遞機(jī)械應(yīng)力。該部件必須承受一個(gè)機(jī)械負(fù)載，趨向于關(guān)閉支架。為了使它更堅(jiān)固，兩個(gè)肋架垂直地放置在兩個(gè)平面上。這種解決方案顯示了良好的表面可達(dá)性和易于機(jī)器。零件的清理體積為95*29* 27mm3的矩形。

由于其明顯的普遍實(shí)用性和效率，預(yù)測這一過程在未來幾年將如何發(fā)展是一個(gè)挑戰(zhàn)。多材料增材制造(MM-AM)正邁出第一步，從單一材料產(chǎn)品向具有創(chuàng)新潛力的多材料組件轉(zhuǎn)變。3D打印具有所有的優(yōu)點(diǎn)(材料和資源的效率，零件和生產(chǎn)的靈活性，減少生產(chǎn)提前期，提高性能等)，這些組件可以具有多種復(fù)雜幾何形狀的材料，并增加功能。

拿一塊普通的巧克力吧。3D打印你想要的尺寸的酒吧是相當(dāng)有趣的，但想象一下進(jìn)一步的一步。使用MM-AM，你可以在同樣的巧克力棒上添加焦糖、牛軋?zhí)牵�甚至花生醬涂層，創(chuàng)造出不同口味的個(gè)性化巧克力棒。通過MM-AM，你可以根據(jù)自己的口味定制巧克力棒，在相同的結(jié)構(gòu)中添加多種材料，從而獲得最理想的組合。同樣的想法也被應(yīng)用到工程材料的MM-AM中，在巧克力棒中加入焦糖來增加甜味，而在金屬棒中加入陶瓷材料來增加耐磨性和耐腐蝕性。牛軋?zhí)巧踔量梢允且环N更硬的金屬來增加表面硬度，而花生醬涂層可以是一種生物相容性涂層用于骨植入應(yīng)用。這種增加的功能是MM-AM流程背后的驅(qū)動(dòng)因素，在MM-AM流程中，特定區(qū)域的功能可以放置在用戶可定義的位置，以創(chuàng)建高性能的系統(tǒng)。圖1中給出了一個(gè)簡單的大綱，突出了組成這些系統(tǒng)的一般材料組合，基于材料類型，什么AM工藝是最合適的，以及可能的材料性能改進(jìn)。

圖1 MM-AM的一些制造和增強(qiáng)可能性概述。

如圖2所示，傳統(tǒng)的制造工藝必須將系統(tǒng)部件分別制造出來，然后將它們進(jìn)行后期加工，形成復(fù)合零件。巧克力棒的比喻也是如此;傳統(tǒng)的棒材必須經(jīng)過生產(chǎn)線上的多臺(tái)機(jī)器才能生產(chǎn)出最終產(chǎn)品。使用MM-AM，不同材料的分級(jí)或分離區(qū)域的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可以在一臺(tái)機(jī)器上連續(xù)完成一個(gè)步驟，使復(fù)合材料部件直接從設(shè)計(jì)階段進(jìn)入最終部件。聚合物3D打印由于其簡單和廣泛兼容的材料選擇，是第一個(gè)先進(jìn)到MM-AM的工藝。多色組件，如自行車頭盔、足球頭盔和可穿戴手套的外觀非常逼真，如圖3所示，以及多功能智能聚合物復(fù)合材料，可以隨著環(huán)境的變化改變其幾何形狀，稱為4D打印。盡管多材料聚合部件令人興奮，但它們主要作為概念驗(yàn)證原型，展示了多功能、多材料系統(tǒng)的可能性。

圖2 傳統(tǒng)制造工藝與AM的工藝比較，以創(chuàng)建多層結(jié)構(gòu)。

圖3MM-AM聚合物結(jié)構(gòu)的圖片包括(a)由Synthesis Design + Architecture設(shè)計(jì)和打印的“DurotaxisChair”，(b)逼真的多色自行車頭盔和(c)由Stratasys3D打印的足球頭盔。(d)“4D打印”聚合物的自組裝時(shí)間軸，(e) Stratasys PolyJet系統(tǒng)工藝，(f) 3D打印的多材料摩托車“手套”。

為了超越這個(gè)原型階段，真正開始看到現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用，金屬3D打印已經(jīng)開始適應(yīng)金屬復(fù)合材料的MM-AM。3D打印是目前大多數(shù)行業(yè)在產(chǎn)品中使用的單一材料，但將設(shè)計(jì)限制在單一材料上，阻礙了可能提高零件壽命和性能的潛在改進(jìn)。與傳統(tǒng)工藝相比，MM-AM工藝的獨(dú)特結(jié)合方式可以使多種金屬之間的結(jié)合更加完美，因?yàn)镸M-AM工藝沒有導(dǎo)致應(yīng)力集中的焊縫。而且，這兩種材料都以粉末的形式開始，通過傳統(tǒng)方法很難結(jié)合的多種金屬可以更容易地結(jié)合。

MM-AM的獨(dú)特之處在于，它不僅可以將兩種不同的材料以100%的比例組合在一起，還可以創(chuàng)造出均勻的預(yù)先指定的混合區(qū)域。這一想法導(dǎo)致了多種材料的結(jié)合，如Inconel 718和銅合金GRCop-84，非磁性和磁性不銹鋼，以及在Ti6Al4V上的鈮在各種混合物中，如圖4所示。MM-AM工藝還表明，它們可以通過添加不同的相來改變金屬性能，例如在新的或已有的結(jié)構(gòu)中添加二次金屬相。此外，通過控制這些相的數(shù)量，還可以進(jìn)一步控制金屬的性能。

圖4 (a-c)基于粉末的直接沉積實(shí)現(xiàn)三維梯度金屬結(jié)構(gòu)的原理圖，以及一些金屬級(jí)配的創(chuàng)新實(shí)例。例如:(d)從Ti6Al4V到釩，(f)不銹鋼304 L到Inconel 625， (i)從Inconel 718到銅合金GRCop-84， (j)不銹鋼316到不銹鋼430，以及(k)從Ti6Al4V到不銹鋼410的一些梯度區(qū)組織。

雖然組合多種材料具有影響力，但生成特定性能區(qū)域可能是MM-AM最重要的能力，因?yàn)樗�可以在單個(gè)制造操作中生成零件及其性能變化，而不是通過多個(gè)步驟。這推動(dòng)了金屬M(fèi)M-AM的進(jìn)步，因?yàn)榻饘?金屬和金屬-陶瓷的混合物可以在需要的位置均勻混合，就像巧克力棒與巧克力和焦糖的組合一樣。梯度功能材料(FGM)可以通過在特定位置沉積金屬或陶瓷材料來局部提高性能，而不是局限于將兩種合金焊接在一起。

當(dāng)這些材料設(shè)計(jì)選擇得到恰當(dāng)?shù)慕鉀Q，與傳統(tǒng)制造工藝相比，MM-AM可以更好地控制材料性能，從而創(chuàng)造出這些前所未見的結(jié)構(gòu)。金屬陶瓷部件通過AM工藝組合在一起，形成具有高性能涂層的金屬結(jié)構(gòu)，如Ti6Al4V上的碳化硅復(fù)合涂層。同樣，碳化釩(VC)被制造到不銹鋼上以增加耐磨性(圖5r-t)，由Ti6Al4V過渡到100%氧化鋁(Al2O3)組成的FGM被制造出來以顯著增加硬度(圖5o)。100%氧化鋁沉積在氧化鋁基體上，分級(jí)氧化鋁沉積在不銹鋼/鈦上，也被證明具有多種應(yīng)用。反應(yīng)工藝已經(jīng)完成，可以根據(jù)環(huán)境生成陶瓷區(qū)域，例如在Ti6Al4V合金上原位合成tib - tin增強(qiáng)涂層。

圖5 通過MM-AM工藝創(chuàng)造金屬陶瓷結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)。獨(dú)特的結(jié)構(gòu)包括(a - f)絲料過程中添加的TiC顆粒和(g-n)隨著顆粒添加量的增加而增加的顆粒形貌，(o)沉積狀態(tài)下新穎的Ti6Al4V + Al2O3成分梯度結(jié)構(gòu)，(p,q) SiC增強(qiáng)鈦涂層中的TiC反應(yīng)產(chǎn)物;(r)缸內(nèi)不銹鋼304至VC級(jí)配及其(s,t)耐磨性隨碳化物百分比的增加而增加。

MM-AM正在通過制造全裝配、新材料和精確控制材料性能來推進(jìn)AM工藝。獨(dú)特的AM方法構(gòu)建一層一層的材料允許特定的位置，通過這樣做，材料的屬性可以控制在精確的位置，逐漸添加，并為特定的應(yīng)用。MM-AM是一種革命性的方法，能夠影響和改善我們?nèi)粘Ｉ�活中使用的各種各樣的物品。

2. MM-AM的關(guān)鍵問題

MM-AM是基于多種材料的組合，以提高一個(gè)部件的整體性能。無論是多聚合物，金屬，還是金屬和陶瓷，材料的組合對建造過程都有一般的限制。該工藝本身也可能對實(shí)際應(yīng)用有限制，如尺寸精度和尺寸，需要后處理，不能在同一環(huán)境下同時(shí)加工不同的材料組合等等。在討論特定材料的工藝和結(jié)構(gòu)之前，應(yīng)該討論這些基本的約束條件。

簡單地說，AM過程首先使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件設(shè)計(jì)一個(gè)3D組件，可以用來制作模型，分配材料，執(zhí)行結(jié)構(gòu)，熱和其他性能分析。然后，3D部分被轉(zhuǎn)換成切片格式，用于實(shí)際的建筑過程，首先在平面上制造第一層。一旦這一層完成，制造系統(tǒng)就會(huì)移動(dòng)到可以在第一層的基礎(chǔ)上構(gòu)建第二層的位置。這個(gè)過程繼續(xù)改變層幾何形狀，以充分和準(zhǔn)確地創(chuàng)建設(shè)計(jì)的3D零件，一次一層。借助高分辨率功能，每一層的復(fù)雜幾何圖形可以集成到最終產(chǎn)品中。然而，由于材料不同，連接過程開始顯示出一些局限性。

(a-c)使用NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的3D觸摸打印機(jī)生產(chǎn)的ABS塑料部件。(d-g)美國國家航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的尺寸打印機(jī)生產(chǎn)的各種部件，包括(e)一個(gè)小型航天器模型，(f)一個(gè)全尺寸立方體衛(wèi)星，(g)一個(gè)火星探測器輪子的復(fù)制品。(h)使用DMLS生產(chǎn)的Ti部件和(i)使用DMLS生產(chǎn)的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。(j)一端經(jīng)UAM固化的鋁帶。

AM工藝(非正式地稱為三維打印)提供了從計(jì)算機(jī)生成的實(shí)體模型中解放硬件的能力，這對于開發(fā)一個(gè)不需要加工或制造鑄造模具的零件是很有用的。在過去的十年里，將AM與塑料一起使用已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可。各種規(guī)模的設(shè)備都有，從桌面打印機(jī)到工業(yè)機(jī)器，能夠模擬硬件，以證明概念和生產(chǎn)實(shí)際的消費(fèi)產(chǎn)品。上圖(a) -1 (g)顯示了在兩種不同類型的3D打印機(jī)上生產(chǎn)的聚合物部件。3D-Touch(由Bits from Bytes生產(chǎn))，如圖(a)所示，能夠從丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)和聚乳酸(PLA)中生產(chǎn)塑料部件，并包括縮放對象的能力[圖(b)]和使用支撐材料以促進(jìn)懸垂特征[圖(c)]。較大的機(jī)器，如Dimension打印機(jī)(由Stratasys, Ltd, Rehovot, Israel)，如圖(d)所示，能夠打印相對復(fù)雜的大型組件，用于模擬整個(gè)宇宙飛船的微型或?qū)嵨锎笮　�圖(e)為小型航天器，圖(f)為真尺度立方體衛(wèi)星。圖(g)顯示了美國宇航局火星探測器“好奇號(hào)”的全尺寸復(fù)制車輪。

2．1． 多種材料的連接工藝

結(jié)合類似的材料，無論是通過傳統(tǒng)的制造或傳統(tǒng)的AM方法，目前的連接過程是相對簡單的。然而，當(dāng)組合不同的材料時(shí)，需要考慮許多設(shè)計(jì)因素，以創(chuàng)造一種牢固、持久的結(jié)合。除了材料厚度和接頭設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)因素外，熱膨脹/收縮等熱行為的差異以及在制造和實(shí)際應(yīng)用中的冷卻速率不匹配也在很大程度上限制了零件的完整性。

克服這些問題的一種簡單但有時(shí)效率低下的方法是用中間粘合劑將兩種材料粘合起來。盡管不同聚合物的粘接已經(jīng)被證明是一個(gè)非常有效的過程，兩個(gè)單獨(dú)創(chuàng)建的組件仍然被連接。這意味著，如果末端部分需要連接兩個(gè)不同的部件，則該部分的完成總共需要三種制造操作:三種單獨(dú)的制造操作可能需要過多的時(shí)間和資源，特別是當(dāng)每一種操作需要多個(gè)階段才能完成時(shí)。雖然這種“三種操作”方法適用于各種工藝，如組合相似和不同的金屬板或陶瓷組件，MM-AM在一個(gè)連續(xù)的過程中創(chuàng)建、塑造和組合相似和不同的材料的獨(dú)特能力是不可否認(rèn)的優(yōu)勢，在全球制造領(lǐng)域。

由于可供選擇的材料廣泛，每種材料都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，連接兩種截然不同的材料對制造商來說越來越有價(jià)值。連接兩種不同的材料并不一定意味著每種材料的優(yōu)點(diǎn)對應(yīng)用是可取的;有時(shí)他們的缺點(diǎn)也會(huì)被利用。一個(gè)廣泛使用的例子是制造一個(gè)傳動(dòng)齒輪，這是在一個(gè)高度磨蝕的環(huán)境。而不是創(chuàng)建整個(gè)齒輪耐磨材料,如脆性陶瓷很難本質(zhì)上是傳統(tǒng)制造、批量的齒輪可以輕易制造金屬和耐磨陶瓷可以應(yīng)用復(fù)合涂層在裝位置。這個(gè)多功能變量可以通過MM-AM過程添加，通過有限的后處理在單個(gè)組件上創(chuàng)建梯度屬性。

2.2 應(yīng)用MM-AM

在很大程度上，傳統(tǒng)的制造限制，如幾何約束和小規(guī)模的生產(chǎn)成本，在設(shè)計(jì)通過AM生產(chǎn)的零件時(shí)是過去的事情。這是因?yàn)锳M比傳統(tǒng)方法有很多優(yōu)勢，如能夠有復(fù)雜的幾何形狀，較低的材料成本，一個(gè)幾乎完全的用戶定制沒有額外的成本，材料可回收性，和成本效益復(fù)雜的小批量項(xiàng)目。

雖然AM和MM-AM有很大的潛力，但仍有一些問題需要解決。目前，由于表面光潔度低、生產(chǎn)率低、質(zhì)量控制、重復(fù)性、部件尺寸有限、可打印材料范圍有限等缺點(diǎn)，只有少數(shù)AM工藝被用于現(xiàn)代制造業(yè)。此外，無法預(yù)測和模擬零件的非各向同性特性之外的性能，限制了客戶對這些材料和工藝的接受。研究人員也表示，AM需要增加規(guī)模，更大的建筑外殼，高性能設(shè)置中可用的材料，以及多功能智能響應(yīng)材料。然而，這些問題是與AM作為一個(gè)整體相關(guān)的。由于MM-AM更廣泛，它有額外的障礙要克服。這包括CAD限制、材料建模軟件、設(shè)計(jì)師不熟悉技術(shù)和材料問題，如前所說。所有這些問題都需要在MM-AM技術(shù)被廣泛引入現(xiàn)代制造之前得到解決。

雖然這些缺點(diǎn)限制了AM在現(xiàn)代制造中的廣泛應(yīng)用，但其潛力不斷推動(dòng)研究和開發(fā)向前發(fā)展。世界各地每年都有更多的研究撥款用于增材制造研究。一些聚合物調(diào)幅機(jī)已經(jīng)采用了多材料技術(shù)。金屬和陶瓷的MM-AM本質(zhì)上更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)椴煌�材料之間的粘接難度增加了，而且生產(chǎn)多材料系統(tǒng)所需的能量也增加了。然而，已經(jīng)發(fā)展出一種將多種金屬結(jié)合在一起的工藝，以及在現(xiàn)有材料中添加金屬基復(fù)合材料(MMC)和陶瓷涂層。隨著新材料和新工藝的開發(fā)，研究將繼續(xù)解決這些問題。既然已經(jīng)討論了一些一般性的障礙，下面幾節(jié)將審查具體材料的過程和創(chuàng)新的例子。

3.聚合物和復(fù)合材料的MM-AM

在探索具體的例子之前，重要的是要注意，在ASTM國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的7個(gè)通用的AM類別中，目前有5個(gè)顯示了創(chuàng)建多材料結(jié)構(gòu)的可行性。這包括粘結(jié)劑噴射、材料噴射、材料擠壓、定向能沉積(DED)和基于層壓的過程，表2描述了它們各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。盡管粉末床融合和立體光刻(SLA)這兩種工藝在MM-AM方面取得了一些進(jìn)展，但由于在制造過程中添加不同材料的力學(xué)原理，這些工藝本身很難產(chǎn)生復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

表2 MM-AM過程和一些一般的優(yōu)點(diǎn)/缺點(diǎn)。

3．1. MM-AM聚合物

聚合物3D打印機(jī)一直走在創(chuàng)新的前沿，因?yàn)榕c金屬和陶瓷相比，處理聚合物的簡單性和成本較高。無論是簡單地改變顏色，還是使用兩種不同的聚合物來構(gòu)建一個(gè)部件，系統(tǒng)已經(jīng)開始結(jié)合多種材料選項(xiàng)來改進(jìn)MM-AM。

Stratasys公司一直以生產(chǎn)熔絲沉積建模(FDM)機(jī)器而聞名，該公司推出了一款多材料3D打印機(jī)，可以使用他們的PolyJet技術(shù)改變材料的屬性和顏色。它的工作原理與傳統(tǒng)的噴墨打印機(jī)類似，但它不使用油墨，而是將不同的聚合物噴射到基材的特定區(qū)域，然后通過紫外光固化(圖3e)，結(jié)合了SLA和材料噴射工藝。一旦一層完成，另一層材料被沉積和固化在之前沉積的層上，直到3D零件完成。這是獨(dú)一無二的，因?yàn)樗�可以在�?gòu)建過程中通過混合不同性質(zhì)的聚合物液滴來改變材料，允許3D部分具有不同的剛性、靈活性、透明度等。

從22種基礎(chǔ)樹脂開始，可以通過混合不同的樹脂組合來改變性能和顏色，從而產(chǎn)生驚人的36萬種不同的材料選擇。如圖3所示，這些部分展示了MM-AM過程中能夠?yàn)橛脩舳�義的真實(shí)外觀的顏色和材料過渡。這些基礎(chǔ)樹脂的性質(zhì)從剛性到類似橡膠，可以精確地混合，以創(chuàng)建混合部分。這可以通過改變不同區(qū)域的特性，得到具有組裝部件特征的部件。不僅可以通過改變材料來改善性能，還可以通過改變工藝參數(shù)來達(dá)到類似的效果。這種材料/工藝/性能的關(guān)系很難準(zhǔn)確確定，但可以廣泛地與SLA工藝相關(guān)，因?yàn)樗�也�?qiáng)加了一層一層的uv固化原則。

研究表明，在不同的掃描功率(100 ~ 250 mW)和層厚(150 ~ 300 μm)條件下，材料的楊氏模量、強(qiáng)度和韌性隨掃描功率的增大而增大，層厚的減小而減小。更具體地說，真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變圖顯示出斷裂應(yīng)力為~ 13 MPa，而層厚為150 μm的較強(qiáng)試樣的斷裂應(yīng)力為~ 5 MPa，而層厚為300 μm的較低試樣的斷裂應(yīng)力為。隨著開口間距和固化深度的增加，樹脂基光致聚合物Somos 7110的楊氏模量從2.40增加到2.60 GPa，極限拉伸強(qiáng)度從52.8增加到58.9 MPa，而在綠色狀態(tài)的所有加工條件下，泊松比保持不變。通過改變加工參數(shù)來改善單一材料的性能，現(xiàn)在可以讓36萬個(gè)不同的材料選項(xiàng)擁有一系列的材料性能，允許用戶自定義的數(shù)量令人難以置信。這就是MM-AM的多功能和多樣性，真正突破了設(shè)計(jì)師想象力的極限。

為了進(jìn)一步開發(fā)MM-AM的多功能性，Stratasys還與麻省理工學(xué)院合作，制造可編程材料，使其能夠適應(yīng)環(huán)境。它被稱為“4D打印”，其中第四維即時(shí)間，允許多種材料的打印結(jié)構(gòu)根據(jù)周圍環(huán)境的變化而變化。這意味著打印出來的模型不再局限于靜態(tài)的形狀，而是可以通過編程來適應(yīng)不斷變化的環(huán)境，如圖3d所示。以水為活化能膨脹特定區(qū)域，由精確放置的剛?cè)峋酆衔锝M成的二維復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過幾何設(shè)計(jì)控制聚合物的膨脹方向，可轉(zhuǎn)化為三維結(jié)構(gòu)。該技術(shù)的核心是機(jī)器、材料和幾何程序。一種親水聚合物被制成，當(dāng)暴露在水中時(shí)膨脹150%。當(dāng)打印機(jī)將剛性聚合物與親水性聚合物以不同的配置沉積在一起時(shí)，它能使聚合物在暴露于水中時(shí)以可預(yù)測的方式折疊。為了完成這種先進(jìn)的材料放置，必須制作新的軟件。與Autodesk Research合作，開發(fā)了一個(gè)程序，允許模擬自組裝和可編程材料，這反過來允許優(yōu)化設(shè)計(jì)。人們相信，這種技術(shù)可以用于制造從醫(yī)療到結(jié)構(gòu)的各種應(yīng)用中有用的組件。

來源：Additive manufacturing of multi-material structures，MaterialsScience and Engineering: R: Reports，doi.org/10.1016/j.msr.2018.04.001
參考文獻(xiàn)：GE Global Research, 3D Printing New Parts for Aircraft Engines,2017, https://www.geglobalresearch.com ... s-aircraft-engines. (Accessed 11 February 2018).