多材料增材制造：多功能超材料的设计、属性、应用、挑战和3D打印

对受自然启发的细胞超材料的广泛研究激发了使用单一材料和多功能性的全球创新。使用多材料的复杂几何形状的增材制造（AM）提供了额外的功能、环境适应性和改进的机械属性。最近，对多材料增材制造（MMAM）技术进行了一些研究，包括多材料、方法、设计和优化。然而，在过去六年中，很少或没有在这一研究领域进行过系统和完整的研究。

‘Multi-material additive manufacturing: A systematic review of design, properties, applications, challenges, and 3D Printing of materials and cellular metamaterials’ 一文，旨在全面总结MMAM系统及其基本流程的工作原理。系统地概述了多材料组合及其设计、建模和分析策略。特别是，重点是在多个行业中使用MMAM以及对多材料增材制造部件进行后处理的应用和机会。此外，该研究确定了现有软件包、多材料增材制造过程、材料和连接机制的局限性和挑战，特别是在多材料界面。最后，讨论了克服上述技术挑战的可能策略，并阐述了未来的方向，这将为设计和制造复杂自然物体的研究人员和工程师提供新的见解。

▲论文链接：

http://dx.doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110450

创新点

该文全面回顾了多材料增材制造（MMAM）的最新发展；讨论了MMAM在各种材料和增材制造方法方面的应用；总结了MMAM设计、建模、后处理和分析策略；强调了MMAM的局限性、挑战和未来趋势。

图文快览

图：受自然启发的结构和多材料（包括成分和结构变化）启发了细胞超材料和多材料增材制造的设计。

图：2017年至2022年4月，每年发表的关于多材料增材制造的论文数量。

图：多材料的一般分类及其属性改进。

图：多材料文献的增材制造中使用的材料组合。

图：（a）激光粉末床熔化（LPBF）处理预混异种粉末的图解，（b）LPBF处理的316L/CuSn10多材料的工艺参数优化防止了最佳工艺条件下的界面开裂，并成功实现了多材料晶格制造，（c）通过LPBF进行的Fe/Al–12Si多材料加工显示尺寸不准确，但结合力足够强。

图：（a，b）多材料直接能量沉积（DED）加工示意图，（c，c'）具有相应应力分布的DED加工SS316L/IN817多材料的拉伸性能，（d）由激光工程净成形（LENS）制造的具有选择性磁性功能的SS316/SS430多材料，具有适当的界面结合。

图：（a）多材料薄板层压工艺的说明，（b）通过薄板层压工艺成功制造Al2O3/Cu–O夹层结构，并进行界面观察，以及（c）演示齿轮形状制造。

图：（a）通过材料挤出对预混合粉末进行多材料加工的图示，（b）具有梯度组成的3D打印支架（从左到右：CaSiO3 100%、40%、30%、20%、10%和100%Fe），以及MMAM处理的30%CaSiO3/70%Fe支架的骨再生结果，（c）MMAM通过机械互锁处理金属-金属-聚合物，以增强金属-聚合物的结合，以及（d）其在骨植入物中的成功应用。

图：（a，b）金属增强聚合物挤出和预混多材料粘合剂喷射的图解，分别带有界面和孔隙率观察。

图：代表性聚合物-聚合物MMAM示例，（a）使用熔丝制造（FFF）制造的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）和热塑性聚氨酯（TPU）样品，（b）使用改进的FFF系统制造的ABS与聚碳酸酯（PC）部件，（c）使用ABS与PC在FFF系统中制造的功能梯度多材料组件，以及（d）使用ABS和TPU的手腕矫形器FFF。

图：（a）传统的多材料增材制造与（b）功能梯度MMAM。

图：（a）通过直接墨水书写（DIW）生产的连续FG碳化物基样品，（b）沉积的不锈钢高温合金样品，（c）钛基FG沉积，（d）316L-H13沉积的两种变体，（e）具有梯度孔隙率的CuO泡沫制造，（f）316L-H23 FGM中的硬度分布。

图：从分析文献中调研的多材料组件/样品的属性

图：多材料组成的设计组合。（a）两种材料之间的过渡。（b）两种材料之间的非均匀成分过渡。（c）三种材料之间的过渡。（d）在不同地点之间切换组成。（e）两种材料在密度和成分级配方面的组合。

图：MMAM框架的几种设计流程图。（a）Yao等人提出的MMAM程序设计。（b）Shin等人的变体设计工作流程。（c）Wargnier等人的多材料解决方案的材料搜索程序和工具。

图：（a）使用四种不同材料设计的晶格结构的压缩模型。（b）可变形为球形帽形状的多材料4D可打印二维晶格结构。（c）Veroblock和Veroclear材料使用数字光处理（DLP）系统进行3D打印。（d）多材料设计的开尔文晶格结构，包括三种不同的材料。

图：金属增材制造工艺图解（a）流化床熔化工艺，（b）粘合剂喷射工艺，（c）直接能量沉积工艺。

图：（a）开发了DLP系统（用于3D打印）和喷墨系统（用于电路）。（b）m4 3D打印机，一种用于制造复杂结构的混合多材料多方法增材制造系统。

图：增材制造部件后处理中使用的几种工艺。（a）用于复杂增材制造组件后处理的铣削加工工艺。用作夹紧装置的支撑结构。（b）单脉冲激光抛光和混合激光抛光工艺增强了表面特性。（c）电化学抛光和空化喷丸等混合工艺。（d）磁性抛光工具的设计。（e）使用超短激光脉冲的激光表面结构化和激光微加工的工作原理。

图：（a）3D生物打印过程的图示。（b）通过同时打印载有细胞的生物墨水和牺牲生物墨水制造的血管化组织。（c）用于疾病建模的芯片上组织开发和用于精确建模的治疗开发。

总结和未来建议

论文总结了多材料研究的几个方面的进展，包括各种类型的多材料组成、组件设计、建模及其分析策略。此外，还对应用、后处理、技术挑战和潜在的研究差距进行了深入讨论和研究。未来研究的发现、挑战、问题和研究差距总结如下：

• MMAM为具有改进属性的高度个性化和高价值产品的设计、复杂性和功能性带来了一系列新机会。不同规模的材料集成可以定制组件的热、电、机械、光学和多功能属性。

• 大多数研究人员专注于某些选定的聚合物和金属基复合材料。然而，一些替代材料，如弹性体和水凝胶，尚未得到显著研究。对于金属多材料，工艺和材料相关的挑战（如尺寸精度和后处理要求）是需要考虑的主要方面。

• 迄今为止，尚未对基于FFF的MMAM进行任何重大研究，重点是3D打印条件与不同材料界面质量之间的关系。缺乏关于基于多材料挤出的3D打印的信息仍然是尚未探索的领域，特别是设备、组件设计和打印材料等问题。

• 根据该综述，大多数分析文献仅研究了多材料组件的压缩和拉伸属性。因此，其他属性-化学、疲劳、冲击等-需要进一步研究。此外，还应进行多目标调研，以探索多材料的复杂特征。

• 实验的标准化设计尚未用于研究多材料属性。因此，现有文献的结果和方法无法进行可行性比较以进行分析。大多数现有文献仅关注基本属性，MMAM组件的大多数特性，如疲劳、3D打印属性、光学、冲击/冲击、弯曲和剪切属性，都需要大量研究。

• 设计多材料组件的研究非常有限，每个增材制造工艺和材料的设计规则需要进一步研究。特别是，应对每个增材制造过程的多材料组件设计进行深入研究。

• 只有少数软件包具有设计和优化多材料的功能。此外，现有软件包不提供多材料的全范围有限元分析。特别是，没有专门为多材料相关研究的设计、优化和模拟开发软件包。因此，这一研究领域需要取得重大进展。随着新技术（例如，大数据、机器学习、数字孪生）的发展，未来可以探索使用这些新的多材料增材制造设计技术的新方法。

• 最后，据揭示，商业上可用的后处理技术仍然处理使用均质材料打印的组件，其设计复杂度有限，并且整个组件仅使用单一材料实现。因此，必须开发一种用于MMAM或功能分级增材制造组件的后处理的新系统，以朝着将全功能部件用于多种应用的方向发展。

这篇综述将为研究人员和工程师提供见解，以通过结合多材料设计和制造复杂的受自然启发的物体。

论文信息：

Materials & Design，Available online 27 January 2023, 111661，In Press, Journal Pre-proof；Multi-material additive manufacturing: A systematic review of design, properties, applications, challenges, and 3D Printing of materials and cellular metamaterials；https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.111661

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