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多材料3D打印:制造技术新突破

发布时间: 2020年09月22日

3D打印制造是目前工业界技术发展的重要趋势。近日,德国弗劳恩霍夫陶瓷技术和系统研究所宣称,他们开发了一种多材料喷射系统。该系统可一次处理多达4种材料,将其不同特性,如导热、导电、绝缘,组合到一个产品中。这使创建具有组合属性或功能的产品成为可能。

据介绍,该系统打印精度在300~1000微米之间,可形成高度在100~200微米之间的沉积层,可以制造20×20×18厘米大小的零件。

多材料打印,高效省时

3D打印技术已广泛应用于医学、电子、人工智能等领域,如微型电池、心跳检测器以及微型血管清理机器人等。其简化制造工序的同时,也大大缩减了制造成本及时间。

北京工业大学材料与制造学部教授赵治介绍,简单来说,3D打印可以分为两大类,一类是先把需要打印的材料调配好,再通过喷嘴将这些材料挤出来,根据需要堆叠成合适的形状并固化,整个过程主要是物理变化。根据挤压堆叠和固化的方式,可细分为选择性激光熔化技术(SLM)、三维印刷工艺(3DP)、熔融沉积成型技术(FDM)等。

另一类是先配好反应液,而后进行光照,利用光化学反应使其从液体变为固体,通过改变光照的分布,控制产品的形貌,这是个化学过程。赵治说,“光照打印的优势是精度高,理论上可以达到微米或亚微米级。同时,打印速度较快,几十分钟就能完成。”

而前者利用喷嘴进行打印,受限于机械加工技术,精度较差,速度也更慢,但材料适用范围更广一些。

“不论是哪种技术,运用中都要考虑制备条件、材料和工艺之间的相容性,要针对不同的产品功能以及材料特性,选择最合适的打印方式。”苏州大学能源学院教授孙靖宇告诉《中国科学报》。

不同材料条件的统一是关键

与传统制造业不同,3D打印的产品需要一体成型,而产品的各个部件往往需要承担不同的作用,需要使用多种材料。如可穿戴设备就涉及很多材料,需要有柔性材料保证穿着的舒适度,又需要区分导体和绝缘体。

因此,多材料3D打印技术和设备为推动现代工业化中大规模精准制造提供了可能。

据了解,弗劳恩霍夫研究所的新系统可用于制造高度复杂的零件,如卫星推进发动机中的点火系统。由于卫星发动机燃烧舱的温度非常高,需要使用耐热性良好的陶瓷,同时导电组件和绝缘组件也要精准分开。利用该系统,能够同时进行这三种材料的打印。

赵治介绍,目前国内外很多其他技术也能够实现多材料打印,但面临着不少问题。“不同材料所需条件不同,金属类的材料条件苛刻,往往需要高温或激光条件。如果同时还想打一些比较脆弱的材料,如在高温条件下可能会熔化或分解的高分子类材料,找到统一的条件有一定难度。”他表示,如果不同材料结合得不够好,仍然难以发挥作用。

技术水平有待观察

在孙靖宇看来,材料如何均匀分散是目前3D打印技术,特别是挤压堆叠式打印,必须面对的难题。

在3D打印的工业化进程中,通常采用热塑性黏结剂来均匀包覆目标材料,使其分散均匀,但黏结剂的加入将严重影响所得产品的力学、光学、电学等方面的性能。另外,热塑性黏结剂在打印过程中需经高温熔化,这很大程度上限制了可打印活性材料的选择,进一步限制了3D打印技术的应用范围。

“因此,在3D打印发展过程中,需要开发特种黏结剂用于目标材料。而此次弗劳恩霍夫研究所开发的多材料喷射系统,可以将陶瓷、金属等的热塑性黏结剂均匀地混合,做成墨水的结构,并且能精准定位墨水喷出,这比较难得。”孙靖宇说。

赵治认为,这种多材料打印系统是个很好的研究方向,但工业应用潜力还有待观察。“该系统所能实现的打印精度,利用机械加工完全可以达到,并且成本更低。”