功能梯度材料的制备工艺及创新性解决方案

功能梯度材料（FGM）具有空间渐变的组分、孔隙或微结构等特点，是一种先进的非均质复合工程材料。与常规的复合材料相比，功能梯度材料宏观上性能在同一方向上呈连续梯度变化。这使其具有良好的绝缘性能、轻量化、耐腐蚀性能优异、易加工成形等优点，因此在航空航天、建筑工程、交通工程、生物医学工程、柔性混合电子、国防军工、核工程，软体机器人等诸多领域被广泛应用。

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功能梯度材料制备工艺及不足

传统制备功能梯度材料的方法有很多，主要有气相沉积法、等离子喷涂法、粉末冶金法、离心浇铸法等，虽然这些方法已广泛应用于组分梯度功能梯度材料的制备，但仍有许多不足之处。采用气相沉积方法沉积速率不高，在某些情况下会形成易燃易爆甚至有毒气体，环境污染大，对所用设备要求高；等离子喷涂修复生产效率高，易实现组分连续变化，它能够在形状复杂的基体材料表面喷涂梯度层，但缺点是载气价格昂贵、对喷涂材料质量要求高、层间结合力差；粉末治金法虽然可重复性好，但工序复杂，制备形状复杂的功能梯度材料难以实现；离心浇铸法仅适用特定金属/陶瓷，内孔表面质量较差，加工余量大，制作异形件有局限性。总体而言，上述方法均无法做到功能梯度材料与三维结构的一体化制造，分别存在成形工艺复杂、设备要求高、效率低、成本高，复杂几何结构难以成形等问题。

▲FGM常用传统制备工艺

而现有制造功能梯度材料的3D打印技术主要有直接激光成型（DED/PBF）、熔融挤出成型（DIW）等。如选区激光融化/烧结、电子束熔化等粉末床熔融工艺；激光近净成形、激光熔覆、激光金属沉积等定向能量沉积工艺；浆料挤出、粉末挤出等熔融挤出工艺。但是这些技术在制造功能梯度材料时还存在许多缺陷与不足；粉末床熔融技术胚体尺寸受限，容易产生微小孔洞；定向能量沉积材料适用范围窄，表面质量差；熔融挤出存在材料流动浸润特性，实现精准梯度变化较为困难。且目前3D打印技术在梯度材料的制备装备多为科研团队根据研究方向自主设计装配，材料适应性和设备功能性较单一。因此，开发一种针对具有高适配性的功能梯度材料3D打印工艺，以助力科研人员快速实现功能梯度材料和产品开发变得尤为重要。

▲FGM常见3D打印制备工艺

基于PEP工艺的功能梯度材料打印法

升华三维始终坚守创新这一核心价值。在功能梯度材料的制备方面，升华三维基于自主研发的粉末挤出3D打印技术（PEP），开发出了功能梯度材料打印法。采用颗粒材料按梯度设计自动调控混合打印成型，可实现材料的梯度连续性变化。

▲FGM粉末挤出3D打印技术原理示意图

该技术与传统粉末冶金法形成优势互补，具有设计自由度高、工序简单、设备及材料成本低等优势，且可直接使用粉末冶金法的烧结等后处理工艺，能实现连续梯度层的复杂几何块状功能梯度材料的制备。

升华三维利用PEP打印法，推出了金属/陶瓷功能梯度材料3D打印机UPR-241。该设备采用全新的三螺杆双组份单喷嘴系统，可通过三个阶段实现成份控制、混合与挤出材料组份的实时调控。双侧给料系统根据组分设计要求，实时自动调节给料螺杆速度实现两种喂料的成分控制；进入预混料仓后，主螺杆挤出系统进行均匀混合后并挤出至成型平台，从而实现复杂结构功能梯度材料的打印成型。

▲金属/陶瓷功能梯度材料3D打印机UPR-241

UPR-241成型尺寸为180mm×240mm×160mm(W×D×H)，可通过配套的UPrsie 3D切片软件自动调控供料比例（10%-90%），实现材料成分的动态或等比例梯度层的梯度变化。采用了颗粒熔融挤出成型方式，可基于PIM材料进行二次开发适配，支持金属/陶瓷、陶瓷/陶瓷、金属/金属不同种类功能梯度材料。挤出系统小型化，设备结构紧凑，配备有负压吸附成型平台，安装拆卸便捷，取件方便；具有自动进料功能，可实现无人看守长时间打印。可为金属/陶瓷功能梯度新材料的开发及产品制备，提供设计模拟和试验支持。

▲升华三维3D打印的钨-铜功能梯度材料结构样品

梯度材料3D打印作为一种革命性的制造技术，正在推动制造业向更智能化、个性化的方向发展。而随着技术的不断成熟和成本的逐步降低，其将在更多领域展现无限可能，为未来制造带来前所未有的创新与变革。PEP技术具有前端材料开发和后处理工艺的高适配性，可大幅优化梯度材料制备工艺和材料成本，为金属/陶瓷梯度材料设计及制备工艺的开发提供创新性解决方案。

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