根據德國弗朗霍夫研究所-Fraunhofer，未來製造業競爭的關鍵是材料，以數字形式提供材料的行為，將產品開發與材料開發關聯，通過工業 4.0將材料信息連結到整個加工應用鏈條中，大幅降低材料的全壽命應用成本。
根據百度百科，梯度功能材料(Functionally Gradient Materials,縮寫FGM) 是兩種或多種材料復合且成分和結構呈連續梯度變化的一種新型復合材料，是應現代航天航空工業等高技術領域的需要，為滿足在極限環境下能反覆地正常工作而發展起來的一種新型功能材料。它的設計要求功能、性能隨機件內部位置的變化而變化，通過優化構件的整體性能而得以滿足。
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列印梯度功能材料的發展情況與挑戰。
論文連結：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S026412752300076X
/ 4D列印
FGM梯度功能材料提供了非凡的應用，例如於航空航天應用中的組件需要熱梯度，因此工程師和設計師會利用材料特性之間的相互作用。舉例來說，渦輪葉片中心部分的溫度相對較低，因此需要中心部分需要具有足夠的抗拉強度和抗疲勞性，旨在獲得特定的物理或化學性能。因此，需要對兩種或多種材料進行功能分級。FGM 可分為：(a) 通過構造實現的 FGM，例如添加層以製造組件，以及 (b) 通過材料分布擴散產生材料梯度的 FGM 。
多材料的一般分類
3D科學谷白皮書
根據3D科學谷，3D列印-增材製造可以在不同材料分布的幫助下根據負載和其他要求調整局部密度。此外，藉助定製的梯度功能數字材料，可以優化組件的重量、成本和生產時間。增材製造 (AM) 作為一項突破性的生產技術，由於其幾何自由度和免模具生產，成為可以高效生產數字材料的工藝。
目前的 AM-增材製造方法可以製造的功能梯度材料包括陶瓷、塑料、金屬、復合材料等。FGM梯度功能材料的多材料AM增材製造可以在金屬-金屬 、金屬-陶瓷、陶瓷-陶瓷和塑料基材料的材料組合中變化。
圖 12. (a) 通過 DIW直寫3D列印技術製造的連續 FG 碳化物基樣品，(b) 沉積不鏽鋼-高溫合金樣品，(c) 鈦基 FG 沉積物，(d) 316L-H13 沉積的變化，(e) 具有分級孔隙率的 CuO 泡沫結構製造，(f) 316L-H13 FGM 中的硬度分布
/ DLP案例
l 新型雙固化材料體系
2019年，中國科學院深圳先進技術研究院納米調控與生物力學研究室副研究員丁振與中科院院士、北京大學教授方岱寧，美國喬治亞理工學院教授齊航等合作，首次通過一種新型雙固化材料體系與灰度數字光處理相結合的方式，獲得了性能可大幅度調控的3D列印梯度數字材料。該項研究成果以Grayscale digital light processing 3D printing for highly functionally graded materials 為題發表在Science Advances上（Sci. Adv. 2019;5: eaav5790）。
丁振等進一步發展了傳統的數字光處理（digital light processing）3D列印技術，在列印材料、列印方式、成型機理等方面都作了重大改進。3D列印聚合物的分子鏈上除了光敏部分還包含熱敏鏈段；灰度數字光處理可以精確調控每一個像素聚合物的交聯程度，進而可調控每一個像素材料的熱機械性能；而隨後的熱固化進一步將這種性能差距擴大。最終每一個像素點的材料彈性模量可從約1 MPa到1 GPa範圍內調控，玻璃化轉變溫度也可跨越60oC。該研究進一步展示了灰度數字光處理3D列印梯度材料與結構的一系列應用，包括梯度超材料、有序變形形狀記憶材料與4D列印、以及擴散輔助著色與加密等。
該研究具有樹脂兼容性非常高（樹脂種類和粘度範圍廣）和設備成本低等優點，更促進了體素列印、4D列印技術的發展，在手術前原型、仿生梯度材料、聲學帶隙材料、梯度超材料等領域具有廣泛的應用前景。
l 梯度DLP 光固化生物3D列印
生物組織中的梯度特性在生物生長發育過程中起著關鍵作用，從神經管的極化到骨軟骨介面的結構，梯度廣泛存在。考慮到自然組織中各種梯度的重要性，在組織工程領域，不能忽視工程化移植組織中連續梯度特性的重現。然而，目前構建組織梯度特性的方法，通常存在不可避免的瓶頸。
根據EngineeringForLife，2021年，來自哈佛醫學院的張宇團隊首次介紹了一種梯度DLP 光固化生物3D列印系統，結合了DLP和微流控，重新設計了料槽系統，以構建功能分級的支架和組織結構。在混合墨水並混沌流動後，可以生成細胞梯度、化學梯度、機械梯度、孔隙梯度以及PEGDA和GelMA的雙墨水梯度，並可以製造具有精確可預測梯度的複雜結構。其中梯度結構可以是連續的，也可以是離散的。
在 DED 定向能量沉積工藝中，粉末在雷射的作用下被熔化，通過改變各層之間的粉末成分，可用於製造 FGM梯度功能材料。這種方法可以使用配備兩個或更多送粉器，已被用於製備多種合金的分級結構，如鈦合金、鎳合金、鋼和金屬基體復合材料。
/ 雷射選區熔化
安世亞太攜手鋼鐵研究總院，基於雷射選區熔化技術開發了DLM-120HT金屬材料高通量增材製備設備。DLM-120HT是基於異質粉末3D列印的新金屬材料開發高通量製備平台。直接利用元素粉末或合金粉末進行雷射選區熔化成型，一次列印過程可實現4種粉末、160種材料成分配比的力學性能樣件製備，適用於鋼鐵材料、鋁合金、鈦合金、 鎳基高溫合金、高熵合金等金屬新材料的成分篩選、性能研究以及梯度材料的研究。
/ DED定向能量沉積
特別是，與鑄造或粉末冶金等傳統製造技術相比，DED 定向能量沉積工藝具有多項優勢。DED製造的組件是逐層構建的，可以實現複雜的內部特徵和通道設計。同時，DED不需要像鑄造和粉末冶金中涉及的特殊模具。因此，可以有效地製造複雜的幾何形狀和塗層。FGM梯度功能材料是涉及成分梯度的經典多材料結構，DED在與多噴嘴結合時可以快速生產多材料組件。多噴嘴可以通過調整供給的粉末類型及其相對百分比來滿足此要求。與 PBF基於粉末床的其他AM增材製造工藝相比，這是該方法的一個有益優勢 。
l TC4鈦合金和TA19鈦合金
將TC4鈦合金和TA19鈦合金連接起來，使構件在冷端具備良好的綜合性能，在熱端具備良好的高溫性能，就能夠極大地減少發動機零部件數量，進一步進行結構優化設計，具有深遠的工程應用意義。西北工業大學陳昱光等對雷射立體成形TC4-TA19功能梯度材料的成形過程熱行為和3種典型成分梯度區的組織形態進行了模擬和實驗研究，並將其研究成果發表在《鑄造技術》上。組織形態表征分析說明，成分梯度區宏觀組織均為外延生長的β柱狀晶， 晶內為交錯的α板條。α板條尺寸沿成分梯度方向不斷粗化。粗化源於合金成分的變化，TC4含量越高，α板條尺寸越大。成分梯度區的成分梯度越小，介面特徵越不明顯，組織一致性越高。雷射立體成形TC4-TA19功能梯度材料的成分梯度區將具有較高的設計自由度，利於實際應用。
l 軟材料（光敏樹脂）和硬材料（Ti-6Al-4V）
高比能量吸收（SEA）的輕質、高強度超材料在航空航天和汽車領域具有重要應用前景。受柚子皮保護果肉的抗衝擊性和功能梯度結構可提高比能量吸收（SEA）能力的啟發，華中科技大學史玉升教授團隊在一項研究中採用軟材料（光敏樹脂）和硬材料（Ti-6Al-4V）進行3D列印，製備了梯度仿生多面體超材料（GBPM），其SEA超過了前期報道中大多數軟材料和硬質材料製造的超材料比能量吸收（SEA）。相關論文發表在Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers。該發現可以指導具有高能量吸收以抵抗外部衝擊的超材料的設計。
l TiC 顆粒增強Ti-6Al-4V 功能梯度復合材料
為了模擬天然組織的生理特性，需要支架來呈現天然組織的物理和化學信號。具有物理和化學性質梯度的支架在機械和生物性能方面顯示出應用前景。例如，與由單獨支持骨和軟骨形成的單相和多相材料類型組成的支架相比，具有功能分級材料分布的支架可以加速骨軟骨 (OC) 缺陷的癒合。
3D科學谷白皮書
科研人員曾使用雷射熔化沉積法製造了 Ti-6Al-4V 的功能梯度復合材料，並用 TiC 顆粒增強，而 TiC 的濃度從下到上從 0% 逐漸變化到 50%。
圖：生物醫學結構的金屬增材製造 (AM) 材料梯度示例。(A) 雷射熔化沉積 Ti-6Al-4V 增強 TiC 顆粒，TiC 濃度從下到上從 0% 到 50% 不等。(B) 具有純 Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4V + Al2 層的多材料結構的雷射工程凈成形O3 和純 Al2O3。
Elsevier，美國化學學會
未熔粉末的數量和結構的內部微孔率隨著 TiC 濃度的增加而增加。結果表明，增加 TiC 顆粒可使 TiCp/Ti-6Al-4V 復合材料的硬度提高 94%。通過添加高達 5% 的 TiC，拉伸性能得到改善，而超過該數量會導致拉伸性能下降。使用 LENS 工藝製造了一種成分梯度結構，包括 Ti-6Al-4V、Al2O3 和 Ti-6Al-4V + Al2O3 層，不同層的顯微硬度和元素組成不同。此外，利用 LENS 製造方法，科研人員製造了碳化釩 (VC) 和不鏽鋼 304 的成分梯度結構。從 5 到 100 wt% 的各種比例的 VC 與不鏽鋼 304 混合，以實現廣泛的耐磨性和硬度。
/ 挑戰
在各種合金之間獲得良好的冶金結合併非易事，而在三元或多組分合金中要複雜得多。這個問題可以通過引入成分梯度來解決。目前有研究通過AM-增材製造技術來開發功能梯度點陣晶格結構，該結構具有結構中的細胞特性變化。儘管如此，仍存在一些挑戰，例如控制眾多變量、熱場波動以及增材製造工藝優化。儘管人工智慧技術的發展、增材製造過程診斷方法的設計和開發以及熱力學資料庫的創建已經在解決上述問題，但還必須應對一些挑戰。
論文連結https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S026412752300076X