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功能梯度材料應(yīng)用前景廣泛

功能梯度材料（FGM）具有空間漸變的組分、孔隙或微結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，是一種先進(jìn)的非均質(zhì)復(fù)合工程材料。與常規(guī)的復(fù)合材料相比，功能梯度材料宏觀上性能在同一方向上呈連續(xù)梯度變化。這使其具有良好的絕緣性能、輕量化、耐腐蝕性能優(yōu)異、易加工成形等優(yōu)點(diǎn)，因此在航空航天、建筑工程、交通工程、生物醫(yī)學(xué)工程、柔性混合電子、國(guó)防軍工、核工程，軟體機(jī)器人等諸多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

▲FGM的主要應(yīng)用領(lǐng)域

功能梯度材料制備工藝及不足

傳統(tǒng)制備功能梯度材料的方法有很多，主要有氣相沉積法、等離子噴涂法、粉末冶金法、離心澆鑄法等，雖然這些方法已廣泛應(yīng)用于組分梯度功能梯度材料的制備，但仍有許多不足之處。采用氣相沉積方法沉積速率不高，在某些情況下會(huì)形成易燃易爆甚至有毒氣體，環(huán)境污染大，對(duì)所用設(shè)備要求高；等離子噴涂修復(fù)生產(chǎn)效率高，易實(shí)現(xiàn)組分連續(xù)變化，它能夠在形狀復(fù)雜的基體材料表面噴涂梯度層，但缺點(diǎn)是載氣價(jià)格昂貴、對(duì)噴涂材料質(zhì)量要求高、層間結(jié)合力差；粉末治金法雖然可重復(fù)性好，但工序復(fù)雜，制備形狀復(fù)雜的功能梯度材料難以實(shí)現(xiàn)；離心澆鑄法僅適用特定金屬/陶瓷，內(nèi)孔表面質(zhì)量較差，加工余量大，制作異形件有局限性?？傮w而言，上述方法均無(wú)法做到功能梯度材料與三維結(jié)構(gòu)的一體化制造，分別存在成形工藝復(fù)雜、設(shè)備要求高、效率低、成本高，復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)難以成形等問(wèn)題。

▲FGM常用傳統(tǒng)制備工藝

而現(xiàn)有制造功能梯度材料的3D打印技術(shù)主要有直接激光成型（DED/PBF）、熔融擠出成型（DIW）等。如選區(qū)激光融化/燒結(jié)、電子束熔化等粉末床熔融工藝；激光近凈成形、激光熔覆、激光金屬沉積等定向能量沉積工藝；漿料擠出、粉末擠出等熔融擠出工藝。但是這些技術(shù)在制造功能梯度材料時(shí)還存在許多缺陷與不足；粉末床熔融技術(shù)胚體尺寸受限，容易產(chǎn)生微小孔洞；定向能量沉積材料適用范圍窄，表面質(zhì)量差；熔融擠出存在材料流動(dòng)浸潤(rùn)特性，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)梯度變化較為困難。且目前3D打印技術(shù)在梯度材料的制備裝備多為科研團(tuán)隊(duì)根據(jù)研究方向自主設(shè)計(jì)裝配，材料適應(yīng)性和設(shè)備功能性較單一。因此，開(kāi)發(fā)一種針對(duì)具有高適配性的功能梯度材料3D打印工藝，以助力科研人員快速實(shí)現(xiàn)功能梯度材料和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)變得尤為重要。

▲FGM常見(jiàn)3D打印制備工藝

基于PEP工藝的功能梯度材料打印法

升華三維對(duì)于創(chuàng)新這一核心價(jià)值亙古不變。在功能梯度材料的制備方面，升華三維基于自主研發(fā)的粉末擠出3D打印技術(shù)（PEP），開(kāi)發(fā)出了功能梯度材料打印法。采用顆粒材料按梯度設(shè)計(jì)自動(dòng)調(diào)控混合打印成型，可實(shí)現(xiàn)材料的梯度連續(xù)性變化。

▲FGM粉末擠出3D打印技術(shù)原理示意圖

該技術(shù)與傳統(tǒng)粉末冶金法形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，具有設(shè)計(jì)自由度高、工序簡(jiǎn)單、設(shè)備及材料成本低等優(yōu)勢(shì)，且可直接使用粉末冶金法的燒結(jié)等后處理工藝，能實(shí)現(xiàn)連續(xù)梯度層的復(fù)雜幾何塊狀功能梯度材料的制備。

升華三維利用PEP打印法，推出了金屬/陶瓷功能梯度材料3D打印機(jī)UPR-241。該設(shè)備采用全新的三螺桿雙組份單噴嘴系統(tǒng)，可通過(guò)三個(gè)階段實(shí)現(xiàn)成份控制、混合與擠出材料組份的實(shí)時(shí)調(diào)控。雙側(cè)給料系統(tǒng)根據(jù)組分設(shè)計(jì)要求，實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)給料螺桿速度實(shí)現(xiàn)兩種喂料的成分控制；進(jìn)入預(yù)混料倉(cāng)后，主螺桿擠出系統(tǒng)進(jìn)行均勻混合后并擠出至成型平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)功能梯度材料的打印成型。

▲金屬/陶瓷功能梯度材料3D打印機(jī)UPR-241

UPR-241成型尺寸為180mm×240mm×160mm(W×D×H)，可通過(guò)配套的UPrsie 3D切片軟件自動(dòng)調(diào)控供料比例（10%-90%），實(shí)現(xiàn)材料成分的動(dòng)態(tài)或等比例梯度層的梯度變化。采用了顆粒熔融擠出成型方式，可基于PIM材料進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)適配，支持金屬/陶瓷、陶瓷/陶瓷、金屬/金屬不同種類(lèi)功能梯度材料。擠出系統(tǒng)小型化，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，配備有負(fù)壓吸附成型平臺(tái)，安裝拆卸便捷，取件方便；具有自動(dòng)進(jìn)料功能，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人看守長(zhǎng)時(shí)間打印?？蔀榻饘?陶瓷功能梯度新材料的開(kāi)發(fā)及產(chǎn)品制備，提供設(shè)計(jì)模擬和試驗(yàn)支持。

▲升華三維3D打印的鎢-銅功能梯度材料結(jié)構(gòu)樣品

梯度材料3D打印作為一種革命性的制造技術(shù)，正在推動(dòng)制造業(yè)向更智能化、個(gè)性化的方向發(fā)展。而隨著技術(shù)的不斷成熟和成本的逐步降低，其將在更多領(lǐng)域展現(xiàn)無(wú)限可能，為未來(lái)制造帶來(lái)前所未有的創(chuàng)新與變革。PEP技術(shù)具有前端材料開(kāi)發(fā)和后處理工藝的高適配性，可大幅優(yōu)化梯度材料制備工藝和材料成本，為金屬/陶瓷梯度材料設(shè)計(jì)及制備工藝的開(kāi)發(fā)提供創(chuàng)新性解決方案。