谈到多材料3D打印技术，其实是在回应一个问题，即如何突破单一材料在性能上的天花板。这项技术的核心在于，它让设计者不再需要为某个局部性能而妥协整体方案，让强度与导热、耐热等功能性，可以在同一个零件上按需配置。
但是，当性质差异巨大的材料结合在一起时，界面处往往会因高应力和脆性相的形成而出现裂纹。这是多材料3D打印领域存在的挑战。本期谷·前沿中谈到的技术，正是解决异种材料界面难题的一种新路径。
当使用激光粉末床熔融（LPBF）3D打印技术将不同材料制造成复杂形状时，界面区域会产生高应力，也可能生成新的脆性相。如果应力过高，或新相过于脆性，这些材料就被视为‘不可焊’。打印过程中就会出现裂纹，最终导致失败。
如将LPBF增材制造技术拓展到多材料打印时，常见的思路是升级设备，使其能铺设多种粉末，或安装多激光系统，在同一层内熔化不同材料。但不同粉末混在一起，往往导致界面性能不佳，混合区过大，容易出现气孔和裂纹。
近日，欧洲空间局（ESA）公布了一项探索项目的研究成果。该项目由洛桑联邦理工学院（EPFL）牵头开展，研究方向是“合金属粉末与箔材并利用光束整形的多材料3D打印” （PRINTING OF MULTI-MATERIALS COMBINING METALLIC POWDERS WITH FOILS, AND USING BEAM SHAPING）。
一种混合工艺
该项目探索的的技术路径则与常见的LPBF多材料增材制造技术不同。
项目团队将金属粉末与金属箔材结合使用，而不是把不同粉末混在一起。他们聚焦于316L不锈钢、Ti-6Al-4V和Al-12Si三种合金的组合，并通过将薄金属箔沉积、切割并焊接在由LPBF3D打印或其他焊接箔材构成的基体上。
这样一来，项目团队得以限制脆性相的形成区域，也降低了应力水平，从而大幅降低开裂风险。
该项目继承了ESA此前在“太空制造专项”计划中支持的光束整形研究成果。光束整形技术可以在3D打印过程中精确控制加热过程。通过将箔材与粉末结合，这种混合工艺能够在材料之间形成更洁净的界面，既可实现清晰的边界，也可实现成分的渐变过渡。
实现无裂纹界面
ESA在公开报道中指出，结果显示，新的方法相比传统粉末混合方式有了明显改进。这种粉末-箔材混合的多材料增材制造方法，成功减少了金属间化合物的生成，并在Ti-6Al-4V和Al-12Si之间实现了无裂纹界面。
这两种材料在性能上差异很大，极易形成脆性化合物，是公认的难加工组合。而项目团队采用的箔材打印方法有望改善局部微观组织，从而提升界面处的力学性能。更优的冷却路径和光束整形技术预计将带来显著优势。
不过，可扩展性研究也揭示了一些关键挑战。随着3D打印面积增大，保证箔材与基体之间良好接触会越来越困难；同时，残余应力随打印高度增加而累积，容易引发鼓泡和分层。
从概念到应用
这项研究验证了这种混合制造工艺的可行性，同时也指出，要实现可靠的大尺寸多材料制造，还需要进一步优化热控制并加强工艺建模。
后续工作将重点扩充实验数据，为建立可靠的粉末-箔材混合工艺数字孪生模型奠定基础，同时结合热成像分析开展实验研究。由于工艺条件与零件几何形状及热传导路径密切相关，团队将通过系统性的实验来获取数据，以支撑精确的数值模拟。
项目团队谈到了这一技术的应用前景。在商业层面上来看，这一技术可以用于制造结构功能一体化零部件，其中一种材料主要为零部件提供强度，而其他材料能够提供导热、导电或耐腐蚀等性能。在航空航天、生物医学和能源等领域对这类性能组合的需求非常普遍。
了解到，该项目在ESA的‘探索’计划下开展，由该计划为项目提供资助，旨在为空间探索寻找有潜力的新技术。
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