基于激光的多材料金屬3D打印技術進展

南極熊導讀：與一般的3D打印技術(AM)方法相比，多材料3D打印技術(MMAM)可實現(xiàn)更高水平的設計自由度，例如整合材料、結構和功能以實現(xiàn)可定制的功能（局部耐磨性、高導熱性、熱絕緣、耐化學腐蝕等）。然而現(xiàn)階段，金屬材料的MMAM技術還處于實驗室階段。

△激光金屬沉積(LMD)、基于激光粉末床熔合(LPBF)和激光誘導正向轉移(LIFT)具有制造多種金屬材料的能力。LMD和LPBF打印樣品的尺寸可以達到米級，同時，LIFT工藝可以生產(chǎn)微米級組件

2022年8月31日，南極熊獲悉，曼徹斯特大學在《國際極限制造雜志》上的一項研究，總結了基于激光的多材料金屬3D打印技術(MMAM)最新進展，包括激光粉末床融合(LPBF)、基于激光的定向能量沉積(L-DED)和激光誘導前向轉移(LIFT)，用于多種金屬材料的宏觀和微觀制造。

技術背景
由于不同粉末材料沉積機制的各種新發(fā)明，使用LPBF方法和LDED方法生產(chǎn)大型多材料零件已成為現(xiàn)實。該技術可廣泛用于航空航天、海洋、核電和醫(yī)療行業(yè)的集成功能組件制造。

對于多個金屬物體的微3D打印制造，目前主要采用固體LIFT和流體LIFT技術，因為它們的材料轉移機制，將金屬液滴從一個供體板噴射到建筑基材上，非常適合將不同材料打印在一起。

在材料沉積過程中，供體與打印對象之間沒有接觸，因此避免了異種原材料交叉污染問題。微尺度金屬3D打印技術的潛在應用包括：3D微尺度金屬結構、儲能元件、電子元件、生物分子、生化傳感器和細胞，甚至直接將功能器件轉移到其他部件的表面。

△曼徹斯特大學開發(fā)的多材料LBPF技術工藝流程和實驗裝置相關示意圖

基于激光的MMAM技術的問題
該技術仍處于早期階段，因此還有很多的技術難題需要解決。曼徹斯特大學李林教授領導的研究團隊，報告了該領域的最新進展，并指出了未來具有高價值目標的研究課題。

由于不同的材料分配挑戰(zhàn)（如何在空間所需區(qū)域中沉積正確的材料），多材料金屬3D打印技術的設備，可能與傳統(tǒng)單材料打印工藝有很大不同。這項研究總結了材料輸送方法、異種材料的連接、加工參數(shù)和打印多材料金屬3D打印組件的性能。

介紹了每種多材料金屬3D打印方法的材料輸送方法，并比較了它們的優(yōu)點。介紹了三種典型的異種材料連接方法。該工藝打印功能梯度材料(FGM)的成分在不斷變化，因此，每種材料成分的優(yōu)化激光參數(shù)，對于實現(xiàn)良好的打印質量至關重要。

激光參數(shù)對多材料金屬3D打印微觀結構的影響，也可能與傳統(tǒng)單材料3D打印技術顯著不同，例如相變、金屬間化合物的形成和最終的機械性能。目前商用的3D設計軟件、相變預測軟件和仿真建模軟件，通常是針對單材料加工而設計的，缺乏多材料加工所需的熱力學數(shù)據(jù)庫。

以上所有問題都是將該技術，從實驗室研究推向實際工業(yè)應用需要填補的知識空白。魏超教授解釋說：“我們需要根據(jù)最終部件的要求來選擇合適的工藝。在此之前，了解現(xiàn)有方法，對于用戶選擇制造方法非常重要�！�

△獲取曼徹斯特大學，關于《基于激光的多金屬材料增材制造概述：從宏觀到微觀》研究報告的更多內容（傳送門）

多材料金屬3D打印技術的未來潛力
該技術作為一個新興工藝，具有顯著的技術優(yōu)勢，通過組合不同的材料賦予一個組件不同的特性，這為3D打印組件提供了一個新的自由度。在潛在領域中，魏教授表示，“基于激光的多材料金屬3D打印技術，例如，在生物醫(yī)學領域的金屬功能3D結構、儲能組件和打印組織器官等方面具有巨大潛力�！�

主要研究人員之一李林教授評論說：“與傳統(tǒng)的制造方法相比，該技術在簡化制造過程、增加設計自由度、減少原型制造的時間和成本方面具有明顯的優(yōu)勢。我們目前的工作僅能打開這個新研究的大門，我們希望更多的研究人員能夠進入這個領域，共同推動多材料金屬3D打印技術的發(fā)展。”

南極熊總結，未來的多材料金屬3D打印技術，研究顯然是多學科的，涉及機械工程、制造工程、材料科學、電子學、光子學、生物學等學科。它集成了復雜的混合制造系統(tǒng)，需要高通量優(yōu)化工藝參數(shù)，基于人工智能的質量監(jiān)控，和評估打印部件的長期可靠性需要進一步研究。但我們相信，在實際產(chǎn)業(yè)應用需求的指導下，通過學術界的協(xié)同研究，這些問題最終會得到解決。