多材料零件3D打印技术现状及趋势施建平1，2，杨继全2，3，王兴松1 (1.东南大学机械工程学院，江苏 南京 211189) (2.江苏省三维打印装备与制造重点实验室，江苏 南京 210042) (3.南京师范大学电气与自动化工程学院，江苏 南京 210042) 摘要：多材料零件(也称异质材料零件)由于兼顾控形、控材和控性等优越特性，在航空航天、特种工业、医学工程等领域具有广阔应用前景，日益成为国内外3D打印领域的研究热点。介绍了多材料零件3D打印技术涉及的两个关键问题：多材料零件的建模方法和多材料零件的3D打印成型技术。结合多材料零件3D打印技术的应用与发展趋势，分析了多材料零件3D打印研发过程中亟待解决的关键技术。 关键词：3D打印；异质材料零件；异质材料建模；多材料零件打印 当代社会对产品的功能及性能的要求越来越高，由均质材料制造的零件其性能已难以满足产品的功能需求，因此对多材料零件的制造进行研究成为当今的研究热点之一。多材料零件又称为异质材料零件(heterogeneous objects, HEO)，是按产品的最优使用功能要求进行设计制造的零件，一般是指由多种材料按一定分布规律组合而成的功能性零件[1]。 综合目前研究现状，多材料零件的研究主要涉及两个关键问题: 多材料零件的建模和多材料零件成型[2]。零件模型的表达方式中，传统的三维CAD几何模型只能表达零件的几何信息，而多材料零件模型要求所用的表达方式能同时反映零件的几何信息和材料信息。 在多材料零件成型技术研究方面，利用3D打印技术分层制造的工艺特点，从理论上解决了制造具有任意复杂内部结构的多材料零件的问题。3D打印技术的加工面可以深入到零件内部，对于零件内部各个点、线、面上堆积的材料具有很好的可控性，可以快速进行多材料零件的制造。随着一些新的3D打印工艺的出现，3D打印技术可以制造出的产品种类也越来越多，如彩色零件、生物体模型、多功能电路板、微型传感器以及组织器官等。多材料零件的数字化设计制造将成为3D打印技术领域的前沿课题之一[3]。 1 多材料零件的定义及分类自然界中的物体大多是由多种材料构成的非均质物体，称为多材料零件，也称异质实体零件，其材料组份在空间分布上相异，如动物的骨骼、牙齿和植物中的竹子等，它们的结构形式就属于典型的异质实体，其特点就是具有最高强度的物质分布在需要最高强度的区域，这是自然界进化的结果，也是最优的物质结构形式，这样一种结构形式能降低结构破损的机率，使得生物体能更好地适应生存环境。 虽然异质实体目前已是多个学科共同的研究热点，但却无明确分类，本文按照功能和结构形态将其分为人造型异质实体、自然型异质实体和变异型异质实体3类，如图1 所示。 1.1 人造型异质实体 人造型异质实体是指按照人为意愿而成型的非均质物体，按照其成型过程可分为装配型异质实体和合成型异质实体，其中装配型异质实体是指在人工或机械的辅助下由多个不同材料的零件组装而成的非均质物体，如微机电系统(micro electro-mechanical systems, MEMS)。这类机械装配型异质实体的特点是整个物体的各个组件是由单一材料制作的，然后再由人工进行组装形成具有一定功能的非均质物体，各组件的材料彼此间不发生耦合或渗透。  图1 异质实体分类
合成型异质实体是指在人工或机械的辅助下，通过化学反应、物理处理、基因工程或其他方法获得的具有多相材料的非均质物体。典型的人工合成异质实体是梯度功能材料(functionally graded materials,FGM)零件，它是由日本学者于1986年首先提出的，是指一类成分结构以及性能在零件某一维度方向上连续变化的非均质多材料复合零件。 人造型异质实体是按照异质实体的功能,由人工干预而实现的材料优化分布形态的零件，有的文献把这种按零件的最佳使用功能要求来设计制造、由呈梯度变化的组织成分和一定规律分布的细结构的材料与均质材料所组合构成的新型材料称之为理想材料零件。 1.2 自然型异质实体 自然型异质实体是指大自然中存在的各类含有多种材料且结构形式和材料分布呈静态或呈连续有规律动态分布的非均质物体，如竹子，其从内层至外层，材料结构渐变，强度依次增强,致密度依次增加，这种材料分布渐变式结构有利于竹子保持质量轻的同时具有足够的弹性和强度。此外，动物的骨骼也是一种由多种材料非均匀分布且组分不断变化的自然型异质物体。 1.3 变异型异质实体 变异型异质实体则是指违背自然界规律或人的意愿而形成的蠕变型(如铜锈、疲劳破损等)或剧变型(如细胞病变、零件断裂等)非均质物体。其成型过程较前两者复杂且大多无规律可循。 2 多材料零件的建模技术2.1 多材料零件数字化表达方法 在多材料零件模型的建模方法研究过程中，目前主流的三维 CAD模型只能表达零件的几何信息，但多材料零件模型要求所建立的模型能同时表达其几何信息和材料信息[4]。针对这一问题，众多研究机构和学者对CAD模型材料信息的表达方法进行了研究。近年来，从事这方面研究的国内外科研机构主要有美国的麻省理工学院，中国的香港大学、北京航空航天大学、中科院沈阳自动化研究所、中国科技大学、华中科技大学、南京理工大学、南京师范大学等。 国内外一些学者对多材料零件数字化表达进行了深入研究。JACKSON等[5]利用有限元网格对零件进行整体扫描，通过以内部单元节点到外部边界节点的距离为变量进行多材料零件的材料信息表达；BISWAS等[6]提出了一种基于几何域的建模方法，运用距离场来表达多材料零件中的材料分布； SIU等[7]提出了基于“梯度源”的多材料零件建模方法，该方法主要模拟多材料零件中不同材料间的相互扩散, 通过使用粉末粘接工艺打印出多彩色模型，实现了模型打印验证；KOU等[8]提出一种基于空间拓扑结构的多层次模型表示方法，通过点、线、面、体单向映射的拓扑关系表示多材料模型；LIU等[9]将零件模型整体划分为由一系列四面体单元组成的集合体，并提出一种基于局部组分控制其特征的概念，通过由顶点函数合成来描述其材料分布；CHOI等[10]在拓扑分层存储算法的基础上提出一种基于拓扑分层功能梯度材料零件的表示方法。郑卫国等[11]提出了基于结构模板的多材料零件表达方法；吴晓军等[12]提出了一种定义距离场多材料零件模型表达方法，运用体素表示的方法实现了多材料零件的表达与可视化；杨继全等[13]提出了一种基于空间点云数据的多材料零件动态建模方法，采用细化STL模型和空间微四面体重构的几何建模方法，通过引入各材料分布特征值、体分量和分布向量，对零件内的特征节点进行材料赋值，实现了对多材料零件中任意点的几何结构与材料信息的表示。此外，还有一些研究人员提出了细胞单元构建模型、动态建模理论模型等多材料零件表示方法。 2.2 多材料零件的数据格式 目前3D打印技术中，常用的有STL、PLY、OBJ等文件格式，其中STL格式应用最为广泛，但该文件格式只能表示实体零件几何尺寸信息，无法表示零件的材料信息。其他文件格式如PLY、OBJ等虽然能表示模型的色彩信息，但是对模型材料信息表达仍然乏力。为了适应3D打印技术发展的需要，众多学者和机构在这方面进行了探索。 美国材料与试验协会(ASTM)出于标准化考虑,提出了一种多材料增材制造文件格式——AMF[14]，该格式的文件采用点、线、面、体的表达方式表示出零件的几何信息，并将材料属性添加到其中，文件占用存储空间比较大。目前该文件格式尚处于开放共享研究阶段，还没有成熟的运用于多材料零件表达的文件。 3MF( 3D manufacturing format) 文件格式是由微软、惠普、Shapeways、欧特克、达索系统、Netfabb和SLM Solution7家公司组成的联盟集团联合开发的文件格式，该格式是一种基于XML(eXtensible markup language)的数据文件格式，文件中可定义3D制造过程中的工艺数据，可以描述模型的内在和外在信息、颜色以及其他特性，目前Windows 8.1以上的操作系统都可支持该格式的文件数据。上述几种3D打印文件数据格式各有其优缺点，其各特性对比见表1。 表1 3D打印文件数据格式对比表  文件格式STLPLYOBJAMF3MF开发者3DSys?temsStanfordGraphicsLabAliasWavefrontASTM公司联盟表示形式三角面片、顶点顶点、三角面片自由形态曲线、面点、曲面片、拓扑XML数据存储大居中居中大小色彩信息无有有有有材料信息无无无有有 3 多材料零件的3D打印成型技术多材料零件的成型方法目前主要包括物理化学气相沉积法、粉末冶金法、等离子喷涂法、离心铸造法、激光熔覆法、自蔓延高温合成法等，这类基于传统工艺的多材料零件的制造方法主要有以下不足：无法制造内部形状复杂的立体结构；多材料间的结合强度低；无法精确控制材料的分布等。3D打印技术由于其具有材料和结构能同时自由成型的特点，将成为多材料零件的主流成型技术。目前，国内外对此开展了较为广泛和深入的研究。 3.1 微滴喷射光固化技术 微滴喷射光固化技术是利用多孔微喷喷头喷射出光敏材料，并经光照后发生聚合反应，逐层堆积，最终制得三维模型。近年来，微滴喷射技术越来越多地被应用于多材料零件模型的快速成型，目前已经商业化的主要有Stratasys公司的Connex系列打印机和3D Systems公司的Projet系列打印机。Stratasys Objet Connex500是目前世界上能完美实现大尺寸、高精度、多材料成型的3D打印机[15]。该设备可成型的材料有100多种，从质地较软的橡胶到具有较高强度的塑料，并且该设备可以在打印单个零件中对材料进行任意混合配比，其成型零件如图2所示。此外国内外不少科研机构也在进行基于微滴喷射工艺的多材料零件成型工艺研究，如MIT计算机科学与人工智能实验室的Sitthi-Amorn P等人开发的多材料成型设备MultiFab[16]，以较低的制作成本实现10多种材料的成型。  图2 Stratasys Objet Connex设备打印的多材料零件 3.2 粉末粘接成型技术 粉末粘接成型技术是利用打印喷头喷射出粘接剂，将粉末粘合在一起，逐层粘接，最终形成三维实体。利用多个喷嘴喷射不同颜色的粘接材料，可打印色彩丰富的多色彩零件，提供给医疗、工程分析等使用。3D Systems公司开发的Z860三维打印系统利用3DP技术，通过多组阵列喷头，喷射不同色彩的粘接剂，实现全彩色的零件原型的打印(图3)，该类零件可以用于工程分析、医疗诊断等方面。从严格意义上来看，这种彩色3D打印技术还不属于多材料零件3D打印。但是该技术具有实现多材料零件3D打印的潜力，如该技术可以应用于制造含有多种药物、特殊药理成分分布的多功能药片，实现缓释药品的打印[17]，病人服药后各种药物的功效在人体内可控地进行释放。  图3 3D Systems粉末粘接设备及多色彩模型
3.3 光固化技成型术 光固化技成型术基于液体树脂受到光照时会发生光聚合反应的原理，逐层固化光敏树脂直至零件最终成型，代表技术有SLA、DLP等技术。德克萨斯大学的R B Wicker等[18]利用SLA技术开发了一种多材料成型系统，该系统采用自动切换多个装有不同材料的旋转材料槽进行成型材料的供给，实现多材料组分零件的成型；荷兰屯特大学利用DLP技术开发出一种低成本的多材料快速成型系统EXZEED DLP[19]； GE Qi等[20]基于特定聚合物的形状自记忆特性，利用光固化技术打印出4D可编程具有自记忆功能的零件，如图4所示。  图4 4D可编程具有自记忆功能的零件光固化成型系统 3.4 直接能量沉积成型技术 直接能量沉积成型技术采用高功率能量源(如激光或电子束)对喷出的粉末或丝材进行热熔并定向沉积，主要用于金属零件的成型。一般可通过控制送粉器对多种粉体材料的比例进行控制，实现多材料零件的打印成型。美国Sciaky公司的EBAM金属线材成型设备[21]，通过控制两种不同材质的金属线材的送料比，实现多材料金属零件的熔融堆积成型打印，如图5所示。 3.5 粉末烧结技术 粉末烧结工艺一般采用激光束或电子束对粉床中的粉末材料进行照射，使粉末颗粒熔化并相互粘接。德国Regenfuss等[22]基于粉末烧结技术开发的一种多材料成型系统制造出了同时含有铜、银的功能梯度零件(图6)，该成型系统目前仅支持打印垂直方向上梯度变化的多材料金属功能零件。  图5 Sciaky公司的双材料EBAM金属成型设备  图6 多材料烧结成型系统及打印的多材料模型 3.6 挤压成型技术 挤压成型工艺一般是采用丝状成形材料，经加热后热熔挤压堆积到成型工作面上，实现零件的堆积成形。基于该技术开发的双喷头或混料喷头成型系统可以进行多材质或多颜色的三维模型一次成型，该成型技术具有较低的成本，成型零件材质一般仅限于塑料类材料。 3.7 其他新型成型技术 DIMITRI等[23]利用一种电磁影响技术通过对多材料零件中不同组分材料微小颗粒的控制实现打印过程中材料组分的变化，最终实现多材料零件成型，并基于该工艺开发了一套多材料磁辅助3D成型系统。ZHENG等[24]将微光固化技术与纤维沉积技术相结合开发出一套多层片微结构多材料成型系统。 可以看出，以上介绍的几类多材料3D打印成型技术是对现有3D打印工艺、技术的进一步改进和组合，使得新的成型系统能够实现多种材料的按需混合成型。可以预见，随着各类工艺、技术的不断发展，新型多材料3D打印成型系统将不断涌现。 4 多材料零件的应用及发展趋势目前应用3D打印技术已经可以打印出种类丰富的各类产品，如鞋子、各类机械零件以及各种工艺品，但这类零件基本都是由单一组分材料打印制作而成。多材料零件的打印技术突破了单一材料3D打印的局限，实现了零件的多材质、多功能的一体化制造。应用多材料3D打印技术可以进行更复杂的功能性零件的打印。多材料零件由于其优异的性能具有广泛的应用领域，如医疗工程模型、智能化装备、生物组织器官、特殊功能零件等。 4.1 医疗工程模型 在辅助医疗诊断方面，随着数字化医疗技术的快速发展，医疗人员可以方便准确地获取生物体各组织的三维立体数据，应用多材料3D打印技术，可快速构建出各病变组织的三维模型。依据模型可更加精确地诊断患者病情，模拟手术，制定相关的手术方案。方驰华等[25]利用多材料3D打印技术提高了肝肿瘤手术切除的安全性，并极大提高了手术的效率(图7)。  图7 肝肿瘤术前评估 4.2 智能化装备 应用多材料3D打印技术，通过多种导电材料和非导电材料的不同比例打印，可以方便实现电路板等智能化装备零件的3D打印。目前以色列Nano Dimension公司已经成功开发出商业化的电路板3D打印设备，该设备可进行线迹宽度为80μm的多层电路板的打印。基于开源项目的Rabbit Proto也是一款能够进行电路板制作的3D打印设备。Steve Ready通过自己团队开发的多材料3D打印设备成功打印出集成有无线压力和温度传感器的运动鞋垫[26](图8)。 4.3 组织器官 如果可以方便地打印出人体器官，那么需要器官移植的病人就不需要苦苦等待了，为此国内外学者在这方面进行了积极的探索。JIN Woo Jung等[27]利用多材料3D打印技术开发了一套生物3D打印系统，并进行了耳朵、肾脏、牙齿组织的建模成型分析研究。美国Lawrence Livermore实验室的研究人员使用多材料3D打印技术打印出血管系统模型，可以帮助医疗人员在体外更加有效地复制人类生理机能，复杂的组织系统也将会被很好地再现出来[28]。ZHANG等[29]应用生物打印技术对几种具有代表性的组织器官进行了打印研究，包括血管、心脏、肝脏以及软骨等(图9)。北京口腔医院依据获取的三维医学模型打印以人牙髓细胞与海藻酸钠共混物为材料的三维结构体，经验证，人牙髓细胞在三维结构体中仍能生长增殖[30]。杭州电子科技大学以人卵巢癌细胞、海藻酸钠等混合物3D打印三维体外卵巢癌三维结构体，准确地模拟了体内肿瘤生长机制，为肿瘤研究和抗癌药物筛选提供了一种新的技术实现方法[31]。  图8 3D打印的电路板及功能鞋垫
 图9 3D打印的人造血管系统模型 4.4 特殊功能零件 应用多材料3D打印技术可以进行特殊功能性零件的制造，如可3D打印形状记忆材料零件，该技术也可以被认为是4D打印，因为这种结构被设计为在第四个维度——时间上变化。MIT研究团队使用微型光固化技术3D打印了各种结构，包括线圈、鲜花和微型埃菲尔铁塔等。研究发现这些结构可以拉伸至其原有长度的3倍而不会断裂，但当它们被暴露在温度为40°C～180°C的环境下时，只需几秒钟就会恢复到最初的形状(图10)。  图10 随温度变化的多材料3D打印零件 5 多材料零件3D打印中的关键性问题多材料零件3D打印成型技术的研究，需要综合考虑零件的结构特征、材料分布特征和功能性特征，其关键性问题包括： 1)结构、材料和功能的并行化设计。 在进行零件设计时需要根据零件的功能要求进行零件的内部材料拓扑和外部几何特征的并行化设计。多材料零件的内部材料特征参数是变化的，其按规律分布的材料组分为零件带来了优越的宏观性能，是零件设计和制造中的关键参数，如何进行零件的多相材料特征建模是多材料零件3D打印技术中首要解决的问题。 2)结构、材料和功能的精确化成型。 由于传统零件的设计和制造中缺少对材料特征参数的表示，所以针对传统工艺的设计与加工方法很难应用于多材料零件打印制造，因而必须围绕着这部分新拓展的零件性质来设计制造参数，在拓扑优化设计、智能制造等方面展开深入研究，建立多材料零件3D打印成型的新理论和新方法。 3)多材料零件性能的评价体系。 与传统零件不同，多材料零件一般集多种功能于一体，并且同一多材料零件模型的成型方法可能有多种，如何检测所打印成型零件的性能是否一致，应用现有的产品零件检测标准难以满足评价要求，所以针对多材料零件亟待拟定一个全新的产品零件性能评价标准体系。 参考文献： [1] PASKO A, ADZHIEV V, COMNINOS P. Heterogeneous objects modelling and applications: collection of papers on foundations and practice[M]. Berlin Heidelberg:Springer, 2008. [2] 施建平. 基于FDM工艺的多材料数字化制造技术研究[D]. 南京：南京师范大学, 2013. 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Status and trend of 3D printing technology for heterogeneous objectsSHI Jianping1,2, YANG Jiquan2,3, WANG Xingsong1 (1.School of Mechanical Engineering, Southeast University, Jiangsu Nanjing, 211189,China) (2.Jiangsu key Laboratory of 3D printing equipment and manufacturing, Jiangsu Nanjing, 210042, China) (3.School of Electrical and Automation Engineering, Nanjing Normal University, Jiangsu Nanjing, 210042, China) Abstract：With the properties such as shape control, materials control and functions control, multi material parts (also called heterogeneous objects, HEO) is becoming a new issue in the research on 3D printing. It has a broad prospect in aerospace, construction industry, medical engineering and other fields. The paper introduces two key points in the processof multi-material parts 3D printing such as HEO modeling and HEO fabrication. Based on the analysis of HEO development trend and its applications, it summarizes HEO key technologies. Key words：3D printing; heterogeneous objects; heterogeneous modeling; multi-material 3D printing DOI：10.3969/j.issn.2095-509X.2017.02.002 收稿日期：2017-01-18 基金项目：国家自然科学基金资助项目(61273243)；2014年江苏省科技支撑计划(工业)资助项目(BE2014009-3)；江苏省高校自然科学研究基金资助项目(15KJB510018)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2242016R20004)；江苏省自然科学基金资助项目(BK20150407，BK20150973)；江苏省高校自然科学基金面上项目(15KJB410001) 作者简介：施建平(1987—)，男，江苏淮安人，东南大学博士研究生，主要研究方向为数字化快速成型技术。 中图分类号：TH164 文献标识码：A 文章编号：2095-509X(2017)02-0011-07 |
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