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功能梯度材料應用前景廣泛

功能梯度材料（FGM）具有空間漸變的組分、孔隙或微結構等特點，是一種先進的非均質復合工程材料。與常規的復合材料相比，功能梯度材料宏觀上性能在同一方向上呈連續梯度變化。這使其具有良好的絕緣性能、輕量化、耐腐蝕性能優異、易加工成形等優點，因此在航空航天、建筑工程、交通工程、生物醫學工程、柔性混合電子、國防軍工、核工程，軟體機器人等諸多領域被廣泛應用。

▲FGM的主要應用領域

功能梯度材料制備工藝及不足

傳統制備功能梯度材料的方法有很多，主要有氣相沉積法、等離子噴涂法、粉末冶金法、離心澆鑄法等，雖然這些方法已廣泛應用于組分梯度功能梯度材料的制備，但仍有許多不足之處。采用氣相沉積方法沉積速率不高，在某些情況下會形成易燃易爆甚至有毒氣體，環境污染大，對所用設備要求高；等離子噴涂修復生產效率高，易實現組分連續變化，它能夠在形狀復雜的基體材料表面噴涂梯度層，但缺點是載氣價格昂貴、對噴涂材料質量要求高、層間結合力差；粉末治金法雖然可重復性好，但工序復雜，制備形狀復雜的功能梯度材料難以實現；離心澆鑄法僅適用特定金屬/陶瓷，內孔表面質量較差，加工余量大，制作異形件有局限性。總體而言，上述方法均無法做到功能梯度材料與三維結構的一體化制造，分別存在成形工藝復雜、設備要求高、效率低、成本高，復雜幾何結構難以成形等問題。

▲FGM常用傳統制備工藝

而現有制造功能梯度材料的3D打印技術主要有直接激光成型（DED/PBF）、熔融擠出成型（DIW）等。如選區激光融化/燒結、電子束熔化等粉末床熔融工藝；激光近凈成形、激光熔覆、激光金屬沉積等定向能量沉積工藝；漿料擠出、粉末擠出等熔融擠出工藝。但是這些技術在制造功能梯度材料時還存在許多缺陷與不足；粉末床熔融技術胚體尺寸受限，容易產生微小孔洞；定向能量沉積材料適用范圍窄，表面質量差；熔融擠出存在材料流動浸潤特性，實現精準梯度變化較為困難。且目前3D打印技術在梯度材料的制備裝備多為科研團隊根據研究方向自主設計裝配，材料適應性和設備功能性較單一。因此，開發一種針對具有高適配性的功能梯度材料3D打印工藝，以助力科研人員快速實現功能梯度材料和產品開發變得尤為重要。

▲FGM常見3D打印制備工藝

基于PEP工藝的功能梯度材料打印法

升華三維對于創新這一核心價值亙古不變。在功能梯度材料的制備方面，升華三維基于自主研發的粉末擠出3D打印技術（PEP），開發出了功能梯度材料打印法。采用顆粒材料按梯度設計自動調控混合打印成型，可實現材料的梯度連續性變化。

▲FGM粉末擠出3D打印技術原理示意圖

該技術與傳統粉末冶金法形成優勢互補，具有設計自由度高、工序簡單、設備及材料成本低等優勢，且可直接使用粉末冶金法的燒結等后處理工藝，能實現連續梯度層的復雜幾何塊狀功能梯度材料的制備。

升華三維利用PEP打印法，推出了金屬/陶瓷功能梯度材料3D打印機UPR-241。該設備采用全新的三螺桿雙組份單噴嘴系統，可通過三個階段實現成份控制、混合與擠出材料組份的實時調控。雙側給料系統根據組分設計要求，實時自動調節給料螺桿速度實現兩種喂料的成分控制；進入預混料倉后，主螺桿擠出系統進行均勻混合后并擠出至成型平臺，從而實現復雜結構功能梯度材料的打印成型。

▲金屬/陶瓷功能梯度材料3D打印機UPR-241

UPR-241成型尺寸為180mm×240mm×160mm(W×D×H)，可通過配套的UPrsie 3D切片軟件自動調控供料比例（10%-90%），實現材料成分的動態或等比例梯度層的梯度變化。采用了顆粒熔融擠出成型方式，可基于PIM材料進行二次開發適配，支持金屬/陶瓷、陶瓷/陶瓷、金屬/金屬不同種類功能梯度材料。擠出系統小型化，設備結構緊湊，配備有負壓吸附成型平臺，安裝拆卸便捷，取件方便；具有自動進料功能，可實現無人看守長時間打印。可為金屬/陶瓷功能梯度新材料的開發及產品制備，提供設計模擬和試驗支持。

▲升華三維3D打印的鎢-銅功能梯度材料結構樣品

梯度材料3D打印作為一種革命性的制造技術，正在推動制造業向更智能化、個性化的方向發展。而隨著技術的不斷成熟和成本的逐步降低，其將在更多領域展現無限可能，為未來制造帶來前所未有的創新與變革。PEP技術具有前端材料開發和后處理工藝的高適配性，可大幅優化梯度材料制備工藝和材料成本，為金屬/陶瓷梯度材料設計及制備工藝的開發提供創新性解決方案。