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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。總體而言，上述方法均無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(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(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)無人看守長(zhǎng)時(shí)間打印?？蔀榻饘?陶瓷功能梯度新材料的開發(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)無限可能,，為未來制造帶來前所未有的創(chuàng)新與變革。PEP技術(shù)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(shè)計(jì)及制備工藝的開發(fā)提供創(chuàng)新性解決方案。