基于激光的多材料金属3D打印技术进展

南极熊导读：与一般的3D打印技术(AM)方法相比，多材料3D打印技术(MMAM)可实现更高水平的设计自由度，例如整合材料、结构和功能以实现可定制的功能（局部耐磨性、高导热性、热绝缘、耐化学腐蚀等）。然而现阶段，金属材料的MMAM技术还处于实验室阶段。

△激光金属沉积(LMD)、基于激光粉末床熔合(LPBF)和激光诱导正向转移(LIFT)具有制造多种金属材料的能力。LMD和LPBF打印样品的尺寸可以达到米级，同时，LIFT工艺可以生产微米级组件

2022年8月31日，南极熊获悉，曼彻斯特大学在《国际极限制造杂志》上的一项研究，总结了基于激光的多材料金属3D打印技术(MMAM)最新进展，包括激光粉末床融合(LPBF)、基于激光的定向能量沉积(L-DED)和激光诱导前向转移(LIFT)，用于多种金属材料的宏观和微观制造。

技术背景
由于不同粉末材料沉积机制的各种新发明，使用LPBF方法和LDED方法生产大型多材料零件已成为现实。该技术可广泛用于航空航天、海洋、核电和医疗行业的集成功能组件制造。

对于多个金属物体的微3D打印制造，目前主要采用固体LIFT和流体LIFT技术，因为它们的材料转移机制，将金属液滴从一个供体板喷射到建筑基材上，非常适合将不同材料打印在一起。

在材料沉积过程中，供体与打印对象之间没有接触，因此避免了异种原材料交叉污染问题。微尺度金属3D打印技术的潜在应用包括：3D微尺度金属结构、储能元件、电子元件、生物分子、生化传感器和细胞，甚至直接将功能器件转移到其他部件的表面。

△曼彻斯特大学开发的多材料LBPF技术工艺流程和实验装置相关示意图

基于激光的MMAM技术的问题
该技术仍处于早期阶段，因此还有很多的技术难题需要解决。曼彻斯特大学李林教授领导的研究团队，报告了该领域的最新进展，并指出了未来具有高价值目标的研究课题。

由于不同的材料分配挑战（如何在空间所需区域中沉积正确的材料），多材料金属3D打印技术的设备，可能与传统单材料打印工艺有很大不同。这项研究总结了材料输送方法、异种材料的连接、加工参数和打印多材料金属3D打印组件的性能。

介绍了每种多材料金属3D打印方法的材料输送方法，并比较了它们的优点。介绍了三种典型的异种材料连接方法。该工艺打印功能梯度材料(FGM)的成分在不断变化，因此，每种材料成分的优化激光参数，对于实现良好的打印质量至关重要。

激光参数对多材料金属3D打印微观结构的影响，也可能与传统单材料3D打印技术显着不同，例如相变、金属间化合物的形成和最终的机械性能。目前商用的3D设计软件、相变预测软件和仿真建模软件，通常是针对单材料加工而设计的，缺乏多材料加工所需的热力学数据库。

以上所有问题都是将该技术，从实验室研究推向实际工业应用需要填补的知识空白。魏超教授解释说：“我们需要根据最终部件的要求来选择合适的工艺。在此之前，了解现有方法，对于用户选择制造方法非常重要。”

△获取曼彻斯特大学，关于《基于激光的多金属材料增材制造概述：从宏观到微观》研究报告的更多内容（传送门）

多材料金属3D打印技术的未来潜力
该技术作为一个新兴工艺，具有显着的技术优势，通过组合不同的材料赋予一个组件不同的特性，这为3D打印组件提供了一个新的自由度。在潜在领域中，魏教授表示，“基于激光的多材料金属3D打印技术，例如，在生物医学领域的金属功能3D结构、储能组件和打印组织器官等方面具有巨大潜力。”

主要研究人员之一李林教授评论说：“与传统的制造方法相比，该技术在简化制造过程、增加设计自由度、减少原型制造的时间和成本方面具有明显的优势。我们目前的工作仅能打开这个新研究的大门，我们希望更多的研究人员能够进入这个领域，共同推动多材料金属3D打印技术的发展。”

南极熊总结，未来的多材料金属3D打印技术，研究显然是多学科的，涉及机械工程、制造工程、材料科学、电子学、光子学、生物学等学科。它集成了复杂的混合制造系统，需要高通量优化工艺参数，基于人工智能的质量监控，和评估打印部件的长期可靠性需要进一步研究。但我们相信，在实际产业应用需求的指导下，通过学术界的协同研究，这些问题最终会得到解决。