双材料3D打印是一种能够实现多种材料复合打印成型的先进制造技术，可解决多材料复合打印的难题。允许在单个部件中实现多种材料的集成，从而制造出传统制造方法难以实现，且满足不同功能和性能的复杂结构产品。为开发及生产特定具有改进性能的功能部件提供额外的可能性。
SLM金属3D打印的多材料结构体
金属3D打印的多材料结构体非激光路线
升华三维推出的PEP（粉末挤出）工艺是一种创新的金属/陶瓷间接3D打印技术，可以不再局限于某种单一材料制造，释放了3D打印技术的潜力，极大满足了复合打印复杂产品的需求。它将3D打印与粉末冶金相结合，具有低温成型、高温成性的独特特点。其采用的颗粒材料熔融挤出成型方式，在3D打印双材料过程中起着关键的作用。基于PEP工艺开发的独立双喷嘴3D打印机，发挥了独立双喷嘴挤出成型系统的优势，可以同时打印或者各自轮流打印金属和陶瓷材料，能够实现不同材料的复合打印。
独立双喷嘴系统制备双材料结构
采用独立双喷嘴挤出系统的设计目的和最大功能之一，就是进行两种不同材料的打印。该系统可配合其自主研发的切片软件功能得以实现双材料复合打印，可在同一个模型上打印两种不同材质的材料，赋予产品不同部分不同材料的功能及性能。独立双喷嘴功能充分释放了产品设计师的创意思维，满足并实现以复合功能设计为导向的复杂产品设计构想。
双喷嘴系统制备复合结构的能力
设计灵活性：3D打印的层叠成型方式，允许设计师制造复杂的几何形状，可提供更大的设计自由度；
材料多样性：PEP工艺可以适配多种金属和陶瓷粉末材料，包括难熔金属和高性能陶瓷，这为制备具有不同物理和化学性质的金属陶瓷复合结构提供了可能；
复杂结构制造：能发挥3D打印的高复杂度结构成型和双喷嘴独立挤出材料的优势，可制备出传统方法无法制造的复合材料+复杂结构产品；
一体化成型：能够实现双材料结构件的一体化成型，避免了传统工艺中多部件组装带来的问题，有助于提高双材料结构的整体性能和可靠性；
快速开发生产：具有快速制备双材料复杂结构的能力，能够缩短制备周期，提高生产效率，有助于加快产品的开发和商业化进程。
▲独立双喷嘴系统不同打印模式的样品 @升华三维
该系统在制备双材料复合结构方面展现出显著的潜力，但同时也面临着一系列技术和工艺上的挑战，制约着这一技术路线的发展。需要通过深入研究和技术创新，不断优化PEP工艺打印双材料的实现能力，提高其制备复合结构的能力和市场竞争力。
双喷嘴系统制备复合结构面临的挑战
材料适配性：尽管PEP工艺能够处理多种材料，但不同材料之间的适配性仍是一个挑战。需要深入研究不同材料在PEP工艺中的行为特性，以确保它们能够稳定地结合在一起形成复合结构；
挤出胀大效应：在挤出过程中，热塑性材料可能会因为挤出胀大效应导致最终样品尺寸比设定尺寸大，这需要通过优化打印工艺参数来控制；
层间堆叠孔隙：打印过程中可能产生堆叠孔隙，尤其是在同一层的相邻打印线条、上下相邻两层之间，需要通过优化打印工艺来减少这些孔隙；
后处理工艺：PEP工艺制备的复合结构需要经过脱脂烧结处理后才能达到最终的应用要求，后处理工艺的选择和优化对双材料复合结构的性能有重要影响，特别是在两种烧结工艺差异较大的材料上，可能需要结合特殊的材料设计和后处理技术。
双材料制备案例分析及应用方向
PEP技术能实现不同金属／陶瓷材料间的复合打印，这意味着应用场景也得到了进一步的扩展。基于独立双喷嘴系统，升华三维目前已开发有支撑打印、支撑连接打印、复合材料打印、不同部位指定材料打印、镜像打印、复制打印等，为不同材料的复合结构开发和应用提供支持。可适用于科研教育、航天航空、军事国防、生物医疗、汽车制造、能源化工等领域的金属/陶瓷多材料、金属/陶瓷复合材料及其产品的快速开发制造。
▲独立双喷嘴3D打印机支持的打印模式 @升华三维
双层梯度硬质合金制备
双材料复合打印弥补了传统单材料打印的缺陷，尤其在聚合物基梯度功能结构制备中具有独特优势。今年10月，中南大学粉末冶金国家重点实验室与株洲金韦硬质合金有限公司科研团队，在3D打印梯度硬质合金在PDC衬底的应用研究中，采用间接3D打印工艺制备无η相高韧性渗碳梯度硬质合金(FGCCs)。本研究采用PEP工艺的独立双喷嘴3D打印机预置了仅外层贫碳的双层硬质合金生坯，通过预烧结渗碳制备了三组新型 FGCCs。为高性能PDC衬底双材料增材制造提供了解决思路。该研究成果发表在国际顶级期刊《Ceramics International》(https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.08.312)。
▲双层硬质合金3D打印模型示意图 @Ceramics International
▲烧结与渗碳样品宏观形貌与金相图 @Ceramics International
93W和96W梯度功能材料制备
在钨合金材料开发领域，一高校与升华三维的联合项目中，采用双喷嘴系统实现了难熔金属93钨合金和96钨合金的双材料打印，打出来的成品界面处无缺陷，γ相分布较为均匀。在航空航天、核能、太阳能、生物工程植入等领域具有极大的应用价值。
▲93W和96W梯度材料 @升华三维
金属双材料填充打印
金属双材料打印案例中，还有采用两种不同成分不锈钢材料进行复合打印的，用于认证《金属双材料复合结构不同性能变化对功能件影响》研究的可行性。该案例利用了PEP工艺切片软件的晶格填充功能自动生成晶格骨架，再使用独立双喷嘴系统分别挤出骨架和晶格空隙填充材料，从而实现样品结构的制备。因两种材料成分接近，可使得两者能在优化后的同一套后处理工艺上实现烧结，最终获得了双材料结合致密，且冶金性能优异的样品。
▲不同成分不锈网材料复合打印 @升华三维
铜与陶瓷材料复合打印
此外，在材料差异较大的应用中，以铜线圈&陶瓷绝缘线圈为例，此部件为电动马达领域的产品，同时由铜线圈和陶瓷隔离层组成。铜线圈能够与铁或铁合金组合产生磁场，使用陶瓷材料使铜导线与铁及铁合金部件绝缘。该案例利用了升华三维3D打印设备的独立双喷嘴系统，同步解决了铜及陶瓷结构件的复合成型和导电绝缘的难题。而打印好的生坯经过脱脂烧结等一系列工艺处理后，可得到最终的成品件。
▲铜线圈&陶瓷绝缘线圈 @升华三维
PEP双材料复合打印作为增材制造技术中的一种独特体现方式，为设计和开发高性能多功能复合材料和复合结构领域提供了更多可能。其在异质功能结构一体化成型、个性化定制、环保材料开发等方面都具有前瞻性，有望展现出广阔的应用前景和市场发展潜力。
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