Fraunhofer开发多材料喷射系统：可同时打印陶瓷、金属等四种材料

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弗劳恩霍夫IKTS（陶瓷技术与系统研究所）主要从事先进陶瓷的研究，范围涵盖从基础研究到整个陶瓷领域的应用。作为科研和技术服务机构，IKTS致力于开发现代高性能陶瓷材料、定制工业生产工艺，创建原型组件和系统。9月1日，该机构宣布其科研团队开发了一种多材料喷射系统，可同时打印金属、陶瓷等多种材料，以此创建具有组合属性或功能的产品。

多材料喷射系统，可同时打印金属、陶瓷等多种材料

该系统基于其早期开发的热塑性粘合剂喷射工艺，能够对包含多种材料的零件进行增材制造，被称之为多材料喷射或MMJ，该过程可以将不同材料及其各种不同的特性（如导热、导电、绝缘）组合到一个产品中。目前，研究人员一次可以处理多达四种材料，生产具有专门定义属性的高度集成的多功能组件，这为各种应用打开了大门。

首先，要将需要打印的陶瓷或金属粉末均匀分布在热塑性粘合剂中，然后将浆料装入微计量系统（MDS），并在大约100摄氏度的温度下熔化，形成可以以极小液滴形式喷射的物质。IKTS的研究人员还开发了相应的软件程序，确保在制造过程中液滴的精确定位。微计量系统在计算机控制下以高精度运行，液滴逐一精确沉积，打印速度可以达到每秒1000滴以及60毫米。

微计量系统（MDS）

所喷射的液滴尺寸在300-1000μm之间，可形成高度为100-200μm之间的沉积层，当前可以制造的零件最大尺寸为20×20×18厘米。该工艺的关键因素在于金属或陶瓷浆料的定制配方，正确确定剂量是确保3D打印的最终产品在随后的熔炉烧结过程中形成所需性能和功能的关键。

每秒以高达1000滴的速度进行高精度材料沉积

IKTS新的多材料喷射成型系统可用于制造高度复杂的零件，如卫星推进发动机中的陶瓷点火系统。卫星发动机燃烧室温度极高，陶瓷的耐热能力使其成为理想的材料选择，MMJ工艺可用于生产直接集成在发动机内的点火系统。该点火系统将导电和绝缘区域结合在一个非常坚固的部件中。在这种情况下，MMJ工艺需要三个定量给料系统：一个用于在炉内热处理过程中分解的支撑材料，另一个用于导电组件，第三个用于电绝缘组件。

凭借其高精度和灵活性，MMJ系统不仅适用于制造多功能组件，还适用于更多的应用，来满足零件对于不同零件对于强度、导热率和导电率等性能的需求。同时，该系统还可以用来制造硬质合金零件的毛坯件，由于配料系统具有极高的精度，毛坯的轮廓已经非常接近最终产品的轮廓。因此，与常规方法相比，它们只需要很少的后续研磨，这对于用户来说具有极大的吸引力。

金瓷结合：Xjet研发多材料一体打印

同样基于材料喷射技术，Xjet是业内最具代表性的陶瓷、金属材料3D打印厂商。通过将材料的纳米颗粒分散在油墨中，选择性地沉积液滴实现材料成型，经过必要的烧结处理后形成最终零件。采用该技术成型的零件具有其他3D打印工艺难以实现的特征尺寸、表面光洁度和制造精度。

3D打印技术参考曾在去年介绍该公司也在开发将两种材料一体成型的方法。当时，这种一体成型的结构强度非常弱，需要经过完整的后处理。在Xjet纳米颗粒喷射成型工艺中，对生坯打印件进行加热可以去除粘结剂并实现材料最终成型，然而金瓷结合的零件就是在该步骤中存在挑战。

金属-陶瓷一体结构

金属和陶瓷具有不同的烧结温度，如何开发能够成功烧结两种材料的熔炉烧结工艺？一种材料的较高温度要求是否会损坏另一种材料？这是Xjet正在解决的问题，对于Fraunhofer IKTS来说，也是如此。

烧结完成的金属-陶瓷一体结构

如今大多数金属和陶瓷3D打印采用粉末烧结或其他工艺，都难以实现有效的多材料一体成型，而材料喷射技术则正可以弥补这一不足。遗憾的是，截至目前，我们还没能看到Xjet更具体的进展。

基于粉末床SLM技术的多金属混合3D打印

SLM技术如何实现多种材料一体成型？成型后粉末不会混合而污染吗？比利时初创公司Aerosint采用一种新的粉末沉积技术来取代传统的SLS/SLM铺粉方式，实现了两种不同粉末的同时打印。

与大多数材料沉积技术不同，该技术并没有使用复杂的驱动喷嘴，而是通过旋转的转鼓，在构建区域内选择性地沉积粉末材料，达到在需要的位置构建物体的目的。与传统SLM或SLS技术的主要区别也是在于铺送粉技术的不同，其他过程基本类似。

Aerosint多材料粉末沉积设备和技术原理

2020年3月，Aerosint公布了采用多金属粉末材料沉积技术打印的双金属零件—由316L不锈钢和CuCrZr（铜铬锆）混合嵌套、内含1.7mm通道的圆盘组件。该组件直径为55mm，高6.9mm，设置层厚为40微米，打印时间5小时40分钟。

基于粉末床熔融技术的多材料金属打印清粉过程

Aerosint多金属材料打印的零件

多金属的打印同样为功能部件的直接制造提供了可能。未来，将传感器等电子部件直接集成进入装备的预定位置正在成为科研人员努力的目标。

END

从技术的发展情况来看，基于材料喷射/沉积的工艺是目前实现多材料混合3D打印的主要形式，无论是多种树脂成型的polyjet技术、陶瓷/金属复合成型3D打印，还是基于金属粉末的lens或其他材料沉积技术。

而多材料混合3D打印不仅仅是将多种材料简单的复合起来。更为重要的是，与单一材料3D打印相比，它可以一次制造拥有多种功能或物理属性的产品，而不需要再把各种部件组装起来，这将掀起一场前所未有的革命。