隨著3D打印技術(shù)的不斷成熟，一項(xiàng)發(fā)展尤為引人注目：多材料打印的興起。這項(xiàng)曾經(jīng)的小眾技術(shù)正迅速成為工程師、設(shè)計(jì)師和制造商的實(shí)用工具，幫助他們以更少的步驟生產(chǎn)出功能更強(qiáng)大的零件。熔融沉積成型（FDM）、立體光刻（SLA）、材料噴射等多種主流增材制造技術(shù)都支持多材料打印，使其在各行各業(yè)的應(yīng)用日益廣泛。通過在單次打印過程中組合多種材料，多材料打印簡化了生產(chǎn)流程，減少了對裝配的依賴，并為更集成化的設(shè)計(jì)鋪平了道路。本文將探討多材料打印為何有望成為增材制造的下一個前沿領(lǐng)域。

1、多材料打印機(jī)的發(fā)展

多材料打印興起的最明顯標(biāo)志是新型多材料打印機(jī)的激增。在桌面打印機(jī)領(lǐng)域，Bambu Labs的新款H2C一次走紙即可打印多達(dá)七種材料，同時(shí)最大限度地減少廢料。Prusa也推出了INDX，這是一款適用于Prusa CORE One的八材料多工具升級套件，承諾實(shí)現(xiàn)零廢料和更快的工具更換速度。

Prusa和Bondtech開發(fā)了一種名為INDX的新型多材料打印系統(tǒng)，該系統(tǒng)引入了一種基于單個主動式“智能頭”和多個被動式工具頭的換刀方法（圖片來源：Prusa）。

工業(yè)系統(tǒng)也在飛速發(fā)展。OMNI3D和Rapid Fusion等制造商現(xiàn)在提供專為生產(chǎn)環(huán)境設(shè)計(jì)的大幅面多材料擠出解決方案。除了熔融沉積成型(FDM)技術(shù)之外，Stratasys等公司長期以來一直通過材料噴射技術(shù)支持多材料工作流程，而Aerosint（現(xiàn)為舍弗勒集團(tuán)旗下公司）則利用其選擇性粉末沉積技術(shù)展示了多金屬激光粉末熔化和粉末粘合技術(shù)。這些發(fā)展共同表明，多材料加工能力正逐漸成為一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)功能。

2、增強(qiáng)多材料打印機(jī)的設(shè)計(jì)能力

隨著多材料3D打印硬件的進(jìn)步，軟件工具也同步發(fā)展，為設(shè)計(jì)人員提供了前所未有的幾何形狀和材料分布控制能力。傳統(tǒng)的CAD軟件得到了支持功能梯度材料的系統(tǒng)的補(bǔ)充。例如，GraMMaCAD等工具允許用戶通過定義材料過渡區(qū)，將梯度材料分布直接集成到CAD幾何模型中。這使得設(shè)計(jì)人員能夠精確地調(diào)整材料的剛度、柔韌性或?qū)щ娦?。同時(shí)，開源的、基于代碼的工具OpenVCAD允許用戶無縫地混合兩種材料。

Aero Mobius無人機(jī)底盤采用Bambu H2C打印而成（圖片來源：Bambu Lab）

3、不同材料特性的組合

多材料3D打印的主要優(yōu)勢之一在于能夠?qū)⒉煌牧系奶匦匀诤系揭粋€統(tǒng)一的部件中。設(shè)計(jì)人員無需分別制造各個組件再進(jìn)行組裝，而是可以在一次打印中組合剛性、柔性、透明、導(dǎo)電或耐高溫等材料，并將每種材料精確放置在最能發(fā)揮其特性的位置。

這項(xiàng)技術(shù)能夠創(chuàng)造出功能更強(qiáng)大、效率更高的設(shè)計(jì)。單個組件可以包含用于增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的剛性部分、用于鉸鏈的柔性部分、用于觀察窗的透明部分、用于集成電子元件的導(dǎo)電路徑，以及用于承受摩擦或高溫的耐熱區(qū)域。通過切換不同的材料，多材料打印技術(shù)可以優(yōu)化強(qiáng)度和功能。此外，它還為高級定制開辟了可能性：例如，鞋底可以包含更多柔性區(qū)域等等。

4、簡化3D打印流程

多材料3D打印可以簡化整個工作流程。通過將多種材料集成到一臺機(jī)器中，它簡化了材料的管理，并降低了人工操作和更換材料帶來的風(fēng)險(xiǎn)。此外，它還省去了通常用于同時(shí)打印多種材料所需的額外硬件或配件。后處理也變得更加便捷：用戶可以使用專用的支撐材料，例如PVA或HIPS，這些材料可以干凈地溶解而不會損壞零件，從而減少清理時(shí)間，并實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)可移除支撐更復(fù)雜的幾何形狀。這些優(yōu)勢共同造就了更快、更高效的打印過程。

水溶性支撐絲便于后續(xù)處理（圖片來源：Airwolf 3D）

5、降低組裝和生產(chǎn)成本

多材料3D打印技術(shù)能夠在一個集成部件中實(shí)現(xiàn)多種功能，從而減少組裝需求。而單材料打印通常需要將產(chǎn)品拆分成多個獨(dú)立組件，這會增加額外的制造、搬運(yùn)和緊固工序，進(jìn)而增加人工成本和生產(chǎn)成本。多材料打印技術(shù)能夠在一次打印過程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)剛性、柔性和特殊功能區(qū)域，從而減少對緊固件、粘合劑和人工組裝的需求，最終降低人工成本，并最終降低制造費(fèi)用。

6、實(shí)現(xiàn)逼真原型制作

除了流程上的優(yōu)勢，多材料3D打印還能提升零件的視覺效果和觸覺品質(zhì)，從而打造更逼真的原型。設(shè)計(jì)師可以在一次打印中制作出具有多種顏色、紋理和表面處理的組件，減少后續(xù)的噴漆或涂層工序。這項(xiàng)技術(shù)使得原型能夠更接近最終產(chǎn)品，同時(shí)也能制作出外觀精美、可直接使用的消費(fèi)級零件。在醫(yī)療領(lǐng)域，這項(xiàng)技術(shù)已被證明對解剖模型尤為有用，因?yàn)槎喾N顏色、紋理和透明度的運(yùn)用使模型更易于理解。通過將美學(xué)特征直接融入打印流程，制造商可以在簡化生產(chǎn)的同時(shí)，獲得更精細(xì)的成品。

解剖模型可用于高級外科手術(shù)培訓(xùn)（圖片來源：Stratasys）

7、更先進(jìn)的技術(shù)

得益于多材料加工能力，打印和混合技術(shù)的最新進(jìn)展顯著提高了精度和可靠性。升級后的噴嘴、動態(tài)混合腔和自動換刀系統(tǒng)使打印機(jī)能夠極其精確地沉積材料，確保不同材料類型之間的平滑過渡，并減少因錯位或污染造成的誤差。這些創(chuàng)新使得使用多種材料高效穩(wěn)定地生產(chǎn)復(fù)雜設(shè)計(jì)成為可能。

8、多材料3D打印在各個領(lǐng)域的適用性

得益于這些技術(shù)的進(jìn)步，多材料打印正在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。從鞋類和機(jī)器人到醫(yī)療器械和消費(fèi)品，將多種材料集成到單個組件中的能力開辟了全新的設(shè)計(jì)可能性，而這些可能性在以前是難以實(shí)現(xiàn)的。企業(yè)可以在一次打印中制造出兼具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、柔韌性、電子集成和美觀性的部件，從而在縮短開發(fā)時(shí)間和降低成本的同時(shí)，創(chuàng)造創(chuàng)新產(chǎn)品。這種多功能性使得多材料打印不僅是原型制作的寶貴工具，也是各行業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)的有力工具。

采用多材料打印技術(shù)，Footwearology可以打印出不同硬度和緩沖性能的鞋子。（圖片來源：UltiMaker）

編譯整理：3dnatives