多材料3D打印：制造技術新突破

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

據介紹，該系統打印精度在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

3D打印技術已廣泛應用于醫(yī)學、電子、人工智能等領域，如微型電池、心跳檢測器以及微型血管清理機器人等。其簡化制造工序的同時，也大大縮減了制造成本及時間。

北京工業(yè)大學材料與制造學部教授趙治介紹，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配好，再通過噴嘴將這些材料擠出來，根據需要堆疊成合適的形狀并固化，整個過程主要是物理變化。根據擠壓堆疊和固化的方式，可細分為選擇性激光熔化技術（SLM）、三維印刷工藝（3DP）、熔融沉積成型技術（FDM）等。

另一類是先配好反應液，而后進行光照，利用光化學反應使其從液體變?yōu)楣腆w，通過改變光照的分布，控制產品的形貌，這是個化學過程。趙治說，“光照打印的優(yōu)勢是精度高，理論上可以達到微米或亞微米級。同時，打印速度較快，幾十分鐘就能完成?！?/p>

而前者利用噴嘴進行打印，受限于機械加工技術，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，運用中都要考慮制備條件、材料和工藝之間的相容性，要針對不同的產品功能以及材料特性，選擇最合適的打印方式?！碧K州大學能源學院教授孫靖宇告訴《中國科學報》。

不同材料條件的統一是關鍵

與傳統制造業(yè)不同，3D打印的產品需要一體成型，而產品的各個部件往往需要承擔不同的作用，需要使用多種材料。如可穿戴設備就涉及很多材料，需要有柔性材料保證穿著的舒適度，又需要區(qū)分導體和絕緣體。因此，多材料3D打印技術和設備為推動現代工業(yè)化中大規(guī)模精準制造提供了可能。

據了解，弗勞恩霍夫研究所的新系統可用于制造高度復雜的零件，如衛(wèi)星推進發(fā)動機中的點火系統。由于衛(wèi)星發(fā)動機燃燒艙的溫度非常高，需要使用耐熱性良好的陶瓷，同時導電組件和絕緣組件也要精準分開。利用該系統，能夠同時進行這三種材料的打印。

趙治介紹，目前國內外很多其他技術也能夠實現多材料打印，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。如果同時還想打一些比較脆弱的材料，如在高溫條件下可能會熔化或分解的高分子類材料，找到統一的條件有一定難度?！彼硎荆绻煌牧辖Y合得不夠好，仍然難以發(fā)揮作用。

技術水平有待觀察

在孫靖宇看來，材料如何均勻分散是目前3D打印技術，特別是擠壓堆疊式打印，必須面對的難題。在3D打印的工業(yè)化進程中，通常采用熱塑性黏結劑來均勻包覆目標材料，使其分散均勻，但黏結劑的加入將嚴重影響所得產品的力學、光學、電學等方面的性能。另外，熱塑性黏結劑在打印過程中需經高溫熔化，這很大程度上限制了可打印活性材料的選擇，進一步限制了3D打印技術的應用范圍。

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

趙治認為，這種多材料打印系統是個很好的研究方向，但工業(yè)應用潛力還有待觀察?！霸撓到y所能實現的打印精度，利用機械加工完全可以達到，并且成本更低。”

來源：中國科學報