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 最近3D打印行業的一個流行語是“多材質”。在桌面3D打印機方面，已經能夠在一個版本中使用多種材料進行打印，但工業3D打印也有許多多材料的開發。這包括復合材料，如纖維增強聚合物。但Aerosint公司的研發工程師Kevin Eckes博士表示，復合材料的“圣杯”是功能分級材料（FGM）。

去年秋天，Eckes向我們介紹了Aerosint在多材料粉末床3D打印方面的獨特方法，他們在Medium上共享的內容中分享了更深入的視角。他最近與我們分享了他關于FGMs的最新作品。

“與傳統的復合材料不同，傳統的復合材料中，增強材料分布在整個基體材料中，FGMs是復合材料，其中兩種材料通過漸變界面連接在一起，以避免兩種散裝材料之間出現明顯的界限，”Eckes解釋說。“創建這種漸變的目的是在一個更大的體積上分布熱和機械應力，否則這些應力會集中在一個明顯的材料邊界并導致部件開裂或破損。”

FGM由于其抗失效性能，在高溫、化學或機械應力的極端環境中非常有用，而單一材料部件可能會發生故障。FGM零件的一個例子是金屬對陶瓷板，其中兩種材料抵消彼此的弱點并增強彼此的優勢。陶瓷本身是堅硬的、耐化學性和耐熱性的，但它也脆且具有低沖擊韌性。另一方面，金屬具有很高的沖擊韌性，但它很容易被強酸和堿腐蝕，加熱時其機械性能受損。然而，把這兩種材料放在一起，它們幾乎是堅不可摧的。

Eckes說：“金屬對陶瓷的FGM能夠承受陶瓷表面的高溫和苛刻的化學環境，同時通過金屬增強保持整體強度和抗脆性斷裂的能力。”

日本國家航空航天科技實驗室的研究人員首先開始使用金屬陶瓷FGM試圖為可重復使用的太空飛行器創造有效的耐用熱障。他們發現，在鎳基高溫合金基體上由鎳基超合金和穩定化氧化鋯的成分梯度層組成的板可承受超過1000℃的熱梯度而不會開裂。在相同的條件下，100％的鎳高溫合金涂覆100％的氧化鋯和鉻合金作為松弛層，以具有熱疲勞特性。

金屬對金屬FGM也很有用。例如，鋼銅FGM將低成本和高強度鋼與銅的高導熱性和導電性結合在一起。在最近的一個例子中，研究人員創建了一個注塑成型工具，該成型工具具有一個鋼制成型表面和一個塊狀銅體，并與專有的緩沖層材料相連。由于銅的高電導率，模具冷卻時間縮短了10秒，整體模具周期縮短了26％。該公司估計，提高生產力可以為他們每年節省大約60,000美元。

也有聚合物對聚合物FGMs，其中剛性和柔性聚合物可以組合在一起，例如在機械手中具有柔性接頭的剛性臂，或者耐磨聚合物可以接合到用于非金屬軸承或運動部件的堅韌聚合物。

“研究文獻中描述的用于創建FGM的大多數方法都只能創建1D梯度，這僅適用于有限數量的應用，例如耐用熱障，”Eckes繼續說道。“要創建具有完全3D自由度的多材料部件和FGM，我們需要在材料布局上進行體素級空間控制。目前市場上的幾種AM技術都具有這種成分控制能力，但它們主要面向原型制造或一次性部件制造。”

Aerosint專注于多粉末沉積，其中粉末體素可選擇性地從旋轉鼓轉移到構建表面。盡管迄今為止，Aerosint已經在理論上證明了兩種粉末沉積，但是可以對許多材料進行圖案化。材料可以是金屬、聚合物或陶瓷，只要粉末的流動性和粒度分布與工藝兼容即可。

“我們工藝中最根本的挑戰是雙材料整合或燒結，”Eckes說。“共熔燒結兩種材料的熔融溫度或燒結溫度差異很大，存在明顯的物理限制。盡管如此，許多研究人員已經通過審慎選擇具有兼容性能的材料證明了金屬-金屬和金屬-陶瓷共燒結。這些組合不是無限的，但我們認為它們足夠豐富，可以創造出一系列有用的FGMs。”

根據Eckes的說法，多粉末沉積和雙材料共燒結的結合是實現材料高效、快速的多材料3D打印的最有效方法之一。Aerosint正在與研究機構和學者建立合作伙伴關系，這些機構和學者在材料共燒結和金屬、陶瓷3D打印方面具有專業知識。