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功能梯度材料應用前景廣泛

功能梯度材料（FGM）具有空間漸變的組分,、孔隙或微結構等特點,，是一種先進的非均質復合工程材料。與常規(guī)的復合材料相比,，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，因此在航空航天,、建筑工程,、交通工程、生物醫(yī)學工程,、柔性混合電子,、國防軍工、核工程,，軟體機器人等諸多領域被廣泛應用,。

▲FGM的主要應用領域

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,，在某些情況下會形成易燃易爆甚至有毒氣體,，環(huán)境污染大，對所用設備要求高,；等離子噴涂修復生產效率高,，易實現(xiàn)組分連續(xù)變化，它能夠在形狀復雜的基體材料表面噴涂梯度層,，但缺點是載氣價格昂貴,、對噴涂材料質量要求高、層間結合力差,；粉末治金法雖然可重復性好,，但工序復雜，制備形狀復雜的功能梯度材料難以實現(xiàn),；離心澆鑄法僅適用特定金屬/陶瓷,，內孔表面質量較差，加工余量大,，制作異形件有局限性,。總體而言,，上述方法均無法做到功能梯度材料與三維結構的一體化制造,，分別存在成形工藝復雜、設備要求高,、效率低,、成本高,，復雜幾何結構難以成形等問題。

▲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、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。但是這些技術在制造功能梯度材料時還存在許多缺陷與不足,；粉末床熔融技術胚體尺寸受限,，容易產生微小孔洞；定向能量沉積材料適用范圍窄,，表面質量差,；熔融擠出存在材料流動浸潤特性，實現(xiàn)精準梯度變化較為困難,。且目前3D打印技術在梯度材料的制備裝備多為科研團隊根據(jù)研究方向自主設計裝配,，材料適應性和設備功能性較單一。因此,，開發(fā)一種針對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現(xiàn)功能梯度材料和產品開發(fā)變得尤為重要。

▲FGM常見3D打印制備工藝

基于PEP工藝的功能梯度材料打印法

升華三維對于創(chuàng)新這一核心價值亙古不變,。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（PEP）,，開發(fā)出了功能梯度材料打印法,。采用顆粒材料按梯度設計自動調控混合打印成型，可實現(xiàn)材料的梯度連續(xù)性變化,。

▲FGM粉末擠出3D打印技術原理示意圖

該技術與傳統(tǒng)粉末冶金法形成優(yōu)勢互補,，具有設計自由度高、工序簡單,、設備及材料成本低等優(yōu)勢,，且可直接使用粉末冶金法的燒結等后處理工藝，能實現(xiàn)連續(xù)梯度層的復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UPR-241。該設備采用全新的三螺桿雙組份單噴嘴系統(tǒng),，可通過三個階段實現(xiàn)成份控制,、混合與擠出材料組份的實時調控,。雙側給料系統(tǒng)根據(jù)組分設計要求，實時自動調節(jié)給料螺桿速度實現(xiàn)兩種喂料的成分控制,；進入預混料倉后,，主螺桿擠出系統(tǒng)進行均勻混合后并擠出至成型平臺，從而實現(xiàn)復雜結構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UPR-241

UPR-241成型尺寸為180mm×240mm×160mm(W×D×H),，可通過配套的UPrsie 3D切片軟件自動調控供料比例（10%-90%），實現(xiàn)材料成分的動態(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材料進行二次開發(fā)適配，支持金屬/陶瓷,、陶瓷/陶瓷,、金屬/金屬不同種類功能梯度材料。擠出系統(tǒng)小型化,，設備結構緊湊,，配備有負壓吸附成型平臺，安裝拆卸便捷,，取件方便,；具有自動進料功能，可實現(xiàn)無人看守長時間打印,?？蔀榻饘?陶瓷功能梯度新材料的開發(fā)及產品制備，提供設計模擬和試驗支持,。

▲升華三維3D打印的鎢-銅功能梯度材料結構樣品

梯度材料3D打印作為一種革命性的制造技術,，正在推動制造業(yè)向更智能化、個性化的方向發(fā)展,。而隨著技術的不斷成熟和成本的逐步降低,，其將在更多領域展現(xiàn)無限可能，為未來制造帶來前所未有的創(chuàng)新與變革,。PEP技術具有前端材料開發(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/陶瓷梯度材料設計及制備工藝的開發(fā)提供創(chuàng)新性解決方案,。