多材料3D打印：制造技術(shù)新突破

來源：中國科學(xué)報(bào)

3D打印制造是目前工業(yè)界技術(shù)發(fā)展的重要趨勢。近日，德國弗勞恩霍夫陶瓷技術(shù)和系統(tǒng)研究所宣稱，他們開發(fā)了一種多材料噴射系統(tǒng)。該系統(tǒng)可一次處理多達(dá)4種材料，將其不同特性，如導(dǎo)熱、導(dǎo)電、絕緣，組合到一個(gè)產(chǎn)品中。這使創(chuàng)建具有組合屬性或功能的產(chǎn)品成為可能。

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據(jù)介紹，該系統(tǒng)打印精度在300~1000微米之間，可形成高度在100~200微米之間的沉積層，可以制造20×20×18厘米大小的零件。

多材料打印，高效省時(shí)
3D打印技術(shù)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、電子、人工智能等領(lǐng)域，如微型電池、心跳檢測器以及微型血管清理機(jī)器人等。其簡化制造工序的同時(shí)，也大大縮減了制造成本及時(shí)間。

北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部教授趙治介紹，簡單來說，3D打印可以分為兩大類，一類是先把需要打印的材料調(diào)配好，再通過噴嘴將這些材料擠出來，根據(jù)需要堆疊成合適的形狀并固化，整個(gè)過程主要是物理變化。根據(jù)擠壓堆疊和固化的方式，可細(xì)分為選擇性激光熔化技術(shù)（SLM）、三維印刷工藝（3DP）、熔融沉積成型技術(shù)（FDM）等。

另一類是先配好反應(yīng)液，而后進(jìn)行光照，利用光化學(xué)反應(yīng)使其從液體變?yōu)楣腆w，通過改變光照的分布，控制產(chǎn)品的形貌，這是個(gè)化學(xué)過程。趙治說，“光照打印的優(yōu)勢是精度高，理論上可以達(dá)到微米或亞微米級(jí)。同時(shí)，打印速度較快，幾十分鐘就能完成?！?br />
而前者利用噴嘴進(jìn)行打印，受限于機(jī)械加工技術(shù)，精度較差，速度也更慢，但材料適用范圍更廣一些。

“不論是哪種技術(shù)，運(yùn)用中都要考慮制備條件、材料和工藝之間的相容性，要針對(duì)不同的產(chǎn)品功能以及材料特性，選擇最合適的打印方式?！碧K州大學(xué)能源學(xué)院教授孫靖宇告訴《中國科學(xué)報(bào)》。

不同材料條件的統(tǒng)一是關(guān)鍵
與傳統(tǒng)制造業(yè)不同，3D打印的產(chǎn)品需要一體成型，而產(chǎn)品的各個(gè)部件往往需要承擔(dān)不同的作用，需要使用多種材料。如可穿戴設(shè)備就涉及很多材料，需要有柔性材料保證穿著的舒適度，又需要區(qū)分導(dǎo)體和絕緣體。

因此，多材料3D打印技術(shù)和設(shè)備為推動(dòng)現(xiàn)代工業(yè)化中大規(guī)模精準(zhǔn)制造提供了可能。

據(jù)了解，弗勞恩霍夫研究所的新系統(tǒng)可用于制造高度復(fù)雜的零件，如衛(wèi)星推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)中的點(diǎn)火系統(tǒng)。由于衛(wèi)星發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒艙的溫度非常高，需要使用耐熱性良好的陶瓷，同時(shí)導(dǎo)電組件和絕緣組件也要精準(zhǔn)分開。利用該系統(tǒng)，能夠同時(shí)進(jìn)行這三種材料的打印。

趙治介紹，目前國內(nèi)外很多其他技術(shù)也能夠?qū)崿F(xiàn)多材料打印，但面臨著不少問題?！安煌牧纤钘l件不同，金屬類的材料條件苛刻，往往需要高溫或激光條件。如果同時(shí)還想打一些比較脆弱的材料，如在高溫條件下可能會(huì)熔化或分解的高分子類材料，找到統(tǒng)一的條件有一定難度。”他表示，如果不同材料結(jié)合得不夠好，仍然難以發(fā)揮作用。

技術(shù)水平有待觀察
在孫靖宇看來，材料如何均勻分散是目前3D打印技術(shù)，特別是擠壓堆疊式打印，必須面對(duì)的難題。

在3D打印的工業(yè)化進(jìn)程中，通常采用熱塑性黏結(jié)劑來均勻包覆目標(biāo)材料，使其分散均勻，但黏結(jié)劑的加入將嚴(yán)重影響所得產(chǎn)品的力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)等方面的性能。另外，熱塑性黏結(jié)劑在打印過程中需經(jīng)高溫熔化，這很大程度上限制了可打印活性材料的選擇，進(jìn)一步限制了3D打印技術(shù)的應(yīng)用范圍。

“因此，在3D打印發(fā)展過程中，需要開發(fā)特種黏結(jié)劑用于目標(biāo)材料。而此次弗勞恩霍夫研究所開發(fā)的多材料噴射系統(tǒng)，可以將陶瓷、金屬等的熱塑性黏結(jié)劑均勻地混合，做成墨水的結(jié)構(gòu)，并且能精準(zhǔn)定位墨水噴出，這比較難得。”孫靖宇說。

趙治認(rèn)為，這種多材料打印系統(tǒng)是個(gè)很好的研究方向，但工業(yè)應(yīng)用潛力還有待觀察?！霸撓到y(tǒng)所能實(shí)現(xiàn)的打印精度，利用機(jī)械加工完全可以達(dá)到，并且成本更低?！?br />