多材料增材制造：多功能超材料的設(shè)計(jì)、屬性、應(yīng)用、挑戰(zhàn)和3D打印

來(lái)源：Prosynx
作者：ProAcoustics

對(duì)受自然啟發(fā)的細(xì)胞超材料的廣泛研究激發(fā)了使用單一材料和多功能性的全球創(chuàng)新。使用多材料的復(fù)雜幾何形狀的增材制造（AM）提供了額外的功能、環(huán)境適應(yīng)性和改進(jìn)的機(jī)械屬性。最近，對(duì)多材料增材制造（MMAM）技術(shù)進(jìn)行了一些研究，包括多材料、方法、設(shè)計(jì)和優(yōu)化。然而，在過(guò)去六年中，很少或沒(méi)有在這一研究領(lǐng)域進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)和完整的研究。

‘Multi-material additive manufacturing: A systematic review of design, properties, applications, challenges, and 3D Printing of materials and cellular metamaterials’ 一文，旨在全面總結(jié)MMAM系統(tǒng)及其基本流程的工作原理。系統(tǒng)地概述了多材料組合及其設(shè)計(jì)、建模和分析策略。特別是，重點(diǎn)是在多個(gè)行業(yè)中使用MMAM以及對(duì)多材料增材制造部件進(jìn)行后處理的應(yīng)用和機(jī)會(huì)。此外，該研究確定了現(xiàn)有軟件包、多材料增材制造過(guò)程、材料和連接機(jī)制的局限性和挑戰(zhàn)，特別是在多材料界面。最后，討論了克服上述技術(shù)挑戰(zhàn)的可能策略，并闡述了未來(lái)的方向，這將為設(shè)計(jì)和制造復(fù)雜自然物體的研究人員和工程師提供新的見(jiàn)解。

▲論文鏈接：http://dx.doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110450

創(chuàng)新點(diǎn)

該文全面回顧了多材料增材制造（MMAM）的最新發(fā)展；討論了MMAM在各種材料和增材制造方法方面的應(yīng)用；總結(jié)了MMAM設(shè)計(jì)、建模、后處理和分析策略；強(qiáng)調(diào)了MMAM的局限性、挑戰(zhàn)和未來(lái)趨勢(shì)。

圖文快覽

圖：受自然啟發(fā)的結(jié)構(gòu)和多材料（包括成分和結(jié)構(gòu)變化）啟發(fā)了細(xì)胞超材料和多材料增材制造的設(shè)計(jì)。

圖：2017年至2022年4月，每年發(fā)表的關(guān)于多材料增材制造的論文數(shù)量。

圖：多材料的一般分類(lèi)及其屬性改進(jìn)。

圖：多材料文獻(xiàn)的增材制造中使用的材料組合。

圖：（a）激光粉末床熔化（LPBF）處理預(yù)混異種粉末的圖解，（b）LPBF處理的316L/CuSn10多材料的工藝參數(shù)優(yōu)化防止了最佳工藝條件下的界面開(kāi)裂，并成功實(shí)現(xiàn)了多材料晶格制造，（c）通過(guò)LPBF進(jìn)行的Fe/Al–12Si多材料加工顯示尺寸不準(zhǔn)確，但結(jié)合力足夠強(qiáng)。

圖：（a，b）多材料直接能量沉積（DED）加工示意圖，（c，c'）具有相應(yīng)應(yīng)力分布的DED加工SS316L/IN817多材料的拉伸性能，（d）由激光工程凈成形（LENS）制造的具有選擇性磁性功能的SS316/SS430多材料，具有適當(dāng)?shù)慕缑娼Y(jié)合。

圖：（a）多材料薄板層壓工藝的說(shuō)明，（b）通過(guò)薄板層壓工藝成功制造Al2O3/Cu–O夾層結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行界面觀察，以及（c）演示齒輪形狀制造。

圖：（a）通過(guò)材料擠出對(duì)預(yù)混合粉末進(jìn)行多材料加工的圖示，（b）具有梯度組成的3D打印支架（從左到右：CaSiO3 100%、40%、30%、20%、10%和100%Fe），以及MMAM處理的30%CaSiO3/70%Fe支架的骨再生結(jié)果，（c）MMAM通過(guò)機(jī)械互鎖處理金屬-金屬-聚合物，以增強(qiáng)金屬-聚合物的結(jié)合，以及（d）其在骨植入物中的成功應(yīng)用。

圖：（a，b）金屬增強(qiáng)聚合物擠出和預(yù)混多材料粘合劑噴射的圖解，分別帶有界面和孔隙率觀察。

圖：代表性聚合物-聚合物MMAM示例，（a）使用熔絲制造（FFF）制造的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）和熱塑性聚氨酯（TPU）樣品，（b）使用改進(jìn)的FFF系統(tǒng)制造的ABS與聚碳酸酯（PC）部件，（c）使用ABS與PC在FFF系統(tǒng)中制造的功能梯度多材料組件，以及（d）使用ABS和TPU的手腕矯形器FFF。

圖：（a）傳統(tǒng)的多材料增材制造與（b）功能梯度MMAM。

圖：（a）通過(guò)直接墨水書(shū)寫(xiě)（DIW）生產(chǎn)的連續(xù)FG碳化物基樣品，（b）沉積的不銹鋼高溫合金樣品，（c）鈦基FG沉積，（d）316L-H13沉積的兩種變體，（e）具有梯度孔隙率的CuO泡沫制造，（f）316L-H23 FGM中的硬度分布。

圖：從分析文獻(xiàn)中調(diào)研的多材料組件/樣品的屬性

圖：多材料組成的設(shè)計(jì)組合。（a）兩種材料之間的過(guò)渡。（b）兩種材料之間的非均勻成分過(guò)渡。（c）三種材料之間的過(guò)渡。（d）在不同地點(diǎn)之間切換組成。（e）兩種材料在密度和成分級(jí)配方面的組合。

圖：MMAM框架的幾種設(shè)計(jì)流程圖。（a）Yao等人提出的MMAM程序設(shè)計(jì)。（b）Shin等人的變體設(shè)計(jì)工作流程。（c）Wargnier等人的多材料解決方案的材料搜索程序和工具。

圖：（a）使用四種不同材料設(shè)計(jì)的晶格結(jié)構(gòu)的壓縮模型。（b）可變形為球形帽形狀的多材料4D可打印二維晶格結(jié)構(gòu)。（c）Veroblock和Veroclear材料使用數(shù)字光處理（DLP）系統(tǒng)進(jìn)行3D打印。（d）多材料設(shè)計(jì)的開(kāi)爾文晶格結(jié)構(gòu)，包括三種不同的材料。

圖：金屬增材制造工藝圖解（a）流化床熔化工藝，（b）粘合劑噴射工藝，（c）直接能量沉積工藝。

圖：（a）開(kāi)發(fā)了DLP系統(tǒng)（用于3D打�。┖蛧娔�系統(tǒng)（用于電路）。（b）m4 3D打印機(jī)，一種用于制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的混合多材料多方法增材制造系統(tǒng)。

圖：增材制造部件后處理中使用的幾種工藝。（a）用于復(fù)雜增材制造組件后處理的銑削加工工藝。用作夾緊裝置的支撐結(jié)構(gòu)。（b）單脈沖激光拋光和混合激光拋光工藝增強(qiáng)了表面特性。（c）電化學(xué)拋光和空化噴丸等混合工藝。（d）磁性拋光工具的設(shè)計(jì)。（e）使用超短激光脈沖的激光表面結(jié)構(gòu)化和激光微加工的工作原理。

圖：（a）3D生物打印過(guò)程的圖示。（b）通過(guò)同時(shí)打印載有細(xì)胞的生物墨水和犧牲生物墨水制造的血管化組織。（c）用于疾病建模的芯片上組織開(kāi)發(fā)和用于精確建模的治療開(kāi)發(fā)。

總結(jié)和未來(lái)建議

論文總結(jié)了多材料研究的幾個(gè)方面的進(jìn)展，包括各種類(lèi)型的多材料組成、組件設(shè)計(jì)、建模及其分析策略。此外，還對(duì)應(yīng)用、后處理、技術(shù)挑戰(zhàn)和潛在的研究差距進(jìn)行了深入討論和研究。未來(lái)研究的發(fā)現(xiàn)、挑戰(zhàn)、問(wèn)題和研究差距總結(jié)如下：


• MMAM為具有改進(jìn)屬性的高度個(gè)性化和高價(jià)值產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、復(fù)雜性和功能性帶來(lái)了一系列新機(jī)會(huì)。不同規(guī)模的材料集成可以定制組件的熱、電、機(jī)械、光學(xué)和多功能屬性。


• 大多數(shù)研究人員專(zhuān)注于某些選定的聚合物和金屬基復(fù)合材料。然而，一些替代材料，如彈性體和水凝膠，尚未得到顯著研究。對(duì)于金屬多材料，工藝和材料相關(guān)的挑戰(zhàn)（如尺寸精度和后處理要求）是需要考慮的主要方面。


• 迄今為止，尚未對(duì)基于FFF的MMAM進(jìn)行任何重大研究，重點(diǎn)是3D打印條件與不同材料界面質(zhì)量之間的關(guān)系。缺乏關(guān)于基于多材料擠出的3D打印的信息仍然是尚未探索的領(lǐng)域，特別是設(shè)備、組件設(shè)計(jì)和打印材料等問(wèn)題。


• 根據(jù)該綜述，大多數(shù)分析文獻(xiàn)僅研究了多材料組件的壓縮和拉伸屬性。因此，其他屬性-化學(xué)、疲勞、沖擊等-需要進(jìn)一步研究。此外，還應(yīng)進(jìn)行多目標(biāo)調(diào)研，以探索多材料的復(fù)雜特征。


• 實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)尚未用于研究多材料屬性。因此，現(xiàn)有文獻(xiàn)的結(jié)果和方法無(wú)法進(jìn)行可行性比較以進(jìn)行分析。大多數(shù)現(xiàn)有文獻(xiàn)僅關(guān)注基本屬性，MMAM組件的大多數(shù)特性，如疲勞、3D打印屬性、光學(xué)、沖擊/沖擊、彎曲和剪切屬性，都需要大量研究。


• 設(shè)計(jì)多材料組件的研究非常有限，每個(gè)增材制造工藝和材料的設(shè)計(jì)規(guī)則需要進(jìn)一步研究。特別是，應(yīng)對(duì)每個(gè)增材制造過(guò)程的多材料組件設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究。


• 只有少數(shù)軟件包具有設(shè)計(jì)和優(yōu)化多材料的功能。此外，現(xiàn)有軟件包不提供多材料的全范圍有限元分析。特別是，沒(méi)有專(zhuān)門(mén)為多材料相關(guān)研究的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和模擬開(kāi)發(fā)軟件包。因此，這一研究領(lǐng)域需要取得重大進(jìn)展。隨著新技術(shù)（例如，大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)字孿生）的發(fā)展，未來(lái)可以探索使用這些新的多材料增材制造設(shè)計(jì)技術(shù)的新方法。


• 最后，據(jù)揭示，商業(yè)上可用的后處理技術(shù)仍然處理使用均質(zhì)材料打印的組件，其設(shè)計(jì)復(fù)雜度有限，并且整個(gè)組件僅使用單一材料實(shí)現(xiàn)。因此，必須開(kāi)發(fā)一種用于MMAM或功能分級(jí)增材制造組件的后處理的新系統(tǒng)，以朝著將全功能部件用于多種應(yīng)用的方向發(fā)展。


這篇綜述將為研究人員和工程師提供見(jiàn)解，以通過(guò)結(jié)合多材料設(shè)計(jì)和制造復(fù)雜的受自然啟發(fā)的物體。