塑料-塑料多材料AM-增材製造工藝可以產生具有機械、熱、電和光學特性空間變化的功能梯度結構。
本期，結合論文《Multi-material additive manufacturing: A systematic review of design, properties, applications, challenges, and 3D printing of materials and cellular metamaterials》，3D科學谷將分享3D列印塑料和塑料多材料的發展情況。
論文連結：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S026412752300076X
/ 4D列印
根據3D科學谷的市場觀察，2016年麻省理工4D列印了自癒合塑料，使用的3D列印技術是DLP光固化3D列印技術，特別之處在於來自半導體行業的高解析度鏡頭。為了創建理想的形狀記憶材料，他們最終決定將一種長鏈聚合物，和另一種較硬的聚合物混合列印。固化後的混合材料可以很容易地承受拉伸和彎曲而不破裂。
這種4D列印方法可以應用於不同尺寸的列印，不僅使4D列印在微米量級得以實現，而且也可以應用於更大的對象列印，以獲得更廣泛的商業應用領域所需要的記憶聚合物。這將4D列印推進到廣泛的實際應用領域，包括生物醫學設備、航空航天結構件、太陽能電池等。研究團隊列印的艾菲爾鐵塔可以被拉伸到原來長度的三倍，而不斷裂，並在幾秒內返回它們的原始形狀。但最實用的例子是軟機械手。爪子在溫暖的環境自動關閉起來，可以拿起一個小螺栓，甚至還魚蛋和軟豆腐。
/ 鞋面列印
早在2018年，多材料3D列印技術的企業Voxel8 推出了一種新的鞋部件定製化製造3D列印技術ActiveMix，這是一種面向運動鞋鞋面聚氨酯部件定製化生產的技術。根據3D科學谷的了解，ActiveMix技術中集成了材料擠出和材料噴射兩種3D列印工藝。基於材料擠出工藝的3D列印頭負責沉積聚氨酯材料，而噴墨列印頭則負責在聚氨酯列印層之間印刷獨特的全彩色圖案。
3D列印鞋面圖案
材料擠出頭能夠實現鞋面聚氨酯部件的材料、幾何形狀和機械性能的可編程控制，彩色噴墨技術則通過彩色列印，增強 ActiveMix技術的鞋部件定製化製造的能力。該技術能夠進行鞋面聚氨酯部件的數字化製造，例如直接在鞋面織物材料上3D列印聚氨酯logo、文字，或者功能性的鞋部件，並能夠製造一些現有技術無法製造的特殊鞋面。
Voxel8 ActiveMix技術的顯著特點是，實現鞋面聚氨酯部件的無模具化生產，並以數字化方式控制聚氨酯部件的機械性能，比如說3D列印設備可以在沉積材料時區域性地改變剛度和粘度，通過數字化調節聚氨酯材料的成分和機械性能，為鞋面製造所需的支撐性結構。再加上配置的噴墨列印技術，Voxel8 既能夠利用工業級聚氨酯彈性體的強度，耐磨性和耐久性，還能夠實現高解析度的彩色部件製造。
/ 材料噴射3D列印
根據3D科學谷，之前多材料3D印表機被用於製作原型，較少的被用於真正的生產，Inkbit的多材料噴射3D列印設備是面向批量生產的。
Inkbit
Inkbit是2017年從麻省理工學院計算機科學與人工智慧實驗室（CSAIL）分離出來的公司。該公司從DARPA和強生公司獲得了研究經費資助，列印技術為材料噴射技術，印表機配備機器視覺和機器學習技術。機器視覺技術在列印過程中掃描每個列印層，並糾正其中出現的錯誤。機器學習系統用於預測材料的翹曲行為，這些人工智慧技術能夠學習列印材料屬性並預測其行為。
Inkbit
Inkbit 的3D列印設備中配有專有的高速掃描系統，在每層材料沉積後生成地形圖。在後續的列印中，任何與預期幾何形狀不同的差異都會被校正。這些數據還用於訓練機器學習算法，該算法通過學習每種材料的屬性預測它們的行為，從而確保3D列印設備快速準確地構建零件。視覺識別系統為每個3D列印提供完整的數字記錄，實現3D列印部件的質量控制。Inkbit開發的非接觸式材料噴射3D列印技術能夠滿足很多具有苛刻性能要求的新材料，包括彈性達到800%的彈性體和能夠承受高達170°C高溫的樹脂，以及列印不同軟硬度的多材料零部件。
還包括製造一些傳統製造工藝中常用的硬材料，如矽膠和環氧樹脂，這些材料通常用於絕緣電子產品以及各種消費品，健康產品和工業產品。這類材料屬於難以進行增材製造的材料，在列印時通常會出現分布不均勻、堵塞、以及邊緣收縮等問題。
Inkbit 所提供的材料噴射3D列印技術是一種多材料列印技術，即同時沉積不同的材料並進行數字混合。Inkbit系統可以構建精確到數十微米的零件。該印表機配有3種構建材料和支撐材料，並可擴展至8種。設備採用模塊化架構，組件可快速更換，維修和升級，並配有自動構建板加載和後處理工藝。
/ 雷射燒結3D列印
標準選區雷射燒結技術的大致工作原理是，雷射束在計算機控制下向下對零件截面輪廓內的粉末進行照射加熱至粉末材料接近完全熔化狀態，隨後冷卻凝固為固體層。接下來，鋪設下一層粉末並重複上述過程，一層又一層的粉末被鋪設和燒結，直至形成所需的三維實體零件。
通過這一列印原理能夠較好的完成單一材料的3D列印，但如果在一次列印中使用多種不同材料則變得非常具有挑戰性，這是由於一旦粉末層被鋪設在列印床中，就很難被移走或更換為其他材料。
根據哥倫比亞大學工程學院研究論文「Inverted multi-material laser sintering」，研究團隊採取了一種新的粉末材料燒結方式，這一方式中不再需要標準選區雷射燒結設備中的大型粉末床，取而代之的是由列印平台將透明玻璃板放置在一層薄薄的塑料粉末材料上，然後雷射束從下方照射粉末，將一層粉末燒結到玻璃板上，接下來如果需要列印另外一種不同的材料，則由列印平台將玻璃板移動到另外一種薄薄的粉末上，仍由雷射束從下方照射，並將不同材料燒結到上一層材料表面。這一過程重複進行，直至完成零件的列印。
在研究論文中，研究團隊展示了通過以上新型選區雷射燒結技術3D列印的樣件，包括一個單一熱塑性聚氨酯（TPU） 材料的樣件和一個由TPU和尼龍（PA）材料構成的多材料樣件。TPU 樣件2.18毫米，共分為50層，平均列印層厚43.6微米，多材料樣件平均列印層厚 71微米。這些樣件展示了新型選區雷射燒結工藝的可行性，同時展示了在燒結時將鋼板用力壓在玻璃板上從而獲得更為緻密材料的能力。
/ 發展挑戰
根據3D科學谷，毫無疑問3D列印技術最有前途的一個新方向之一是多材料3D列印。然而，如何定義零件在不同的部位用什麼樣的材料，不同的零件之間如何連接，材料的定義如何與要實現的功能結合起來，這是多材料列印的難題。
多材料的一般分類
3D科學谷白皮書
塑料-塑料多材料與熔融擠出3D列印設備相關的主要工藝限制是在沉積過程中兩個（或更多）擠壓頭的精確對準。對於組件設計，多材料3D列印可以實現各種幾何介面的組件製造。然而，與大塊材料強度相比，介面處的離散材料特性會產生較差的結合強度。此外，長絲在擠出機內的停留間隔構成了與設計相關的挑戰的另一個方面。通常，停留間隔會影響擠出材料的熱物理和流變特性。
與材料相關的挑戰與熔融擠出3D列印過程中使用的熱塑性塑料的化學結構和配方有關。離散塑料材料表現出不同的化學結構，即熱塑性材料通常包含成熟的塑料鏈，這與開放單體交聯並決定固化過程的熱固性材料不同。
不同的塑料材料會產生與熱膨脹係數不匹配相關的問題。因此，不同的冷卻收縮率最終會導致部件變形和尺寸穩定性差。
此外，在化學不相容性或低化學親和性的情況下，各種3D列印材料之間介面處預期的機械完整性會降低。
論文連結https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S026412752300076X