根據多材料AM增材製造可稱為多材料功能梯度增材製造 (多材料FGAM)，它考慮了多材料梯度和複雜形態的方面。根據3D科學谷，多材料3D列印技術的出現將在考慮材料分配和特性的情況下改變計算機輔助設計（CAD）流程，需要通過CAD軟體將材料明確「分配」在零件體積內的某些位置以提供所需的功能。
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列印多材料的CAD設計發展情況與挑戰。
論文連結：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S026412752300076X
/「體素」設計
材料或形態梯度的排列決定了多材料組件的特性和功能。 在多材料AM-增材製造組件中，可以使用異質成分過渡或平滑的濃度梯度來消除明顯的邊界。 在集成一體化結構中採用多種材料可以提高功能，減輕重量，並通過將組裝和生產結合到一個結構一體化的加工步驟中調整製造工藝。 總之，可以通過將多種材料組合成一個集成組件來設計所需的特性。
多材料的一般分類
3D科學谷白皮書
多材料組件的設計可以根據組合成單件的多種材料進行分類。根據所需的特性和功能，多材料組件中的材料可以以多種方式分布。
圖. 多材料組合的設計組合。(a) 兩種材料之間的過渡。(b) 兩種材料之間的異質成分過渡。(c) 三種材料之間的過渡。(d) 在不同位置之間切換結構分布。(e) 兩種材料在密度和成分等級方面的組合。
典型的CAD 最適合於傳統製造，用於構成零件的基本形狀和修改過程，反映了典型的原材料幾何形狀（板，塊，圓柱，管等）和成形/加工方法（擠壓，切割，倒角，倒角）。由於材料成分在整個過程中都是單一的、均勻的，因此通過定義其邊界即可簡單地表示CAD中的立體圖形。而在多材料3D列印技術中，需要通過CAD軟體將材料明確「分配」在零件體積內的某些位置以提供所需的功能。這意味著體積不再只能由其邊界定義，而是可以將體積定義為較小體積單位的集合，體積單位可以分別指定為一種材料或另一種材料。這些小體積單位稱為「體素」。
基於體素的設計已被多家軟體公司認識到，並且已經開發了「體素引擎」，這些軟體可以設計由體素單元組成的零件並可以隨後（或同時）將像素指定為某種材料。一些具有前瞻性的軟體企業正在開發多材料3D列印設計的功能，隨著多材料3D列印技術的成熟，將用於生產高品質的先進組件。
/ 麻省理工學院的Foundry軟體
通過軟體，允許非常精細的解析度設置一個給定截面材料的性能。根據3D科學谷的市場觀察，2016年，麻省理工學院計算機科學和人工智慧實驗室（CSAIL）在多材料列印領域取得了巨大進步，他們開發了名為Foundry的面向多材料設計的軟體，使得多材料3D列印更容易、更精確的。
被稱為3D列印多材料處理軟體界的」Photoshop」,麻省理工的三維材料Foundry軟體是針對複雜製造過程中多材料3D列印模型處理軟體，通過友好的用戶介面和一些前所未有的特徵使得列印多材料變得更容易。
基本上，用戶在三維建模軟體中設計好零件，然後零件被導入到麻省理工的多材料軟體中，通過這個軟體來確定和制定目標的材料組成。軟體的核心功能是「商圖」（Operator graph)，這其中包括了100多種定義方法（或微調的動作）。用戶可以細分、映射或者分配不同的材料到零件模型中的各個部分。而軟體甚至允許用戶定義他們是否希望材料之間可以乾淨的分離，如果他們想要這些材料之間是漸進的分離關係。
該軟體允許製造商、設計師和工程師輕鬆完成多材料3D列印的設計過程，比如配合麻省理工的MultiFab這樣的印表機，獲得更複雜的性能優化。包括從新的復合材料的角度來優化，使得最終產品具有最佳的機械性能、熱傳導性能、和導電性能等……
/ 哈佛大學的Monolith
除此之外，市場上還有商業化的多材料設計軟體，根據3D科學谷的市場觀察，Monolith （2015年被Autodesk-歐特克收購）是第一個專門為基於體素的多材料組件設計而開發的軟體，它是由前哈佛大學設計研究院的研究人員Panagiotis Michalatos和Andrew Payne開發的，主要用於藝術品和原型設計，特別是與Stratasys的材料噴射3D列印系統結合使用時，該軟體可以支持列印具有不同材料特性的多色彩樹脂材料。
Monolith具有豐富的功能，使用戶能夠創建複雜而美觀的設計。體素化的幾何形狀可以通過免費的「Painting」功能，選擇和組合預定義的形狀以及沿軸掃描2D位圖並組合來實現。該軟體還可以根據數學方程式在空間中分配體素，由於每個體素都包含有關材料成分的信息，因此還可以通過自由繪製、漸變以及許多現成的功能和樣式在體積內定義不同材料的分布。
/「體素引擎」-Hyperganic
Hyperganic 是一家德國公司，其目標是通過將大部分設計過程留給其「體素引擎」而徹底改變零部件設計的範式，充分利用增材製造在實現幾何自由度方面的優勢。
體素引擎是一種創成式算法，可根據需要在一定體積內構建體素，以滿足用戶定義的約束（例如載荷條件，固定點，材料密度等）。通過這種方式，設計過程從本質上被顛覆了，不是設計師來決定在何處以及如何分配材料。
/ ParaMatters
ParaMatters (2022年被Carbon收購）開發名為CogniCAD的軟體，該軟體可提供新零件的創成式設計與現有CAD模型的拓撲優化。除了根據施加的應力自動優化多孔內部介觀結構的功能外，他們還公開了一種多材料拓撲優化功能。
ParaMatters曾展示過多材料零件優化的示例，一個由鋁和鈦兩種金屬製造的優化零件重量約2 kg，但單獨使用鋁材料製造該零件重量約5千克，混合材料零件重量減輕了60％。
ParaMatters的軟體核心是一組專有功能，這些功能基於給定負載和合規性約束的應力分布的有限元分析來分析和優化零件設計。為了進行此類分析和優化，必須將模型離散化為具有小體積元素的網格，這種離散化過程類似於體素柵格化，ParaMatters的軟體具有向網格元素分配各種材料的功能，並且已經對材料組合的介面強度進行了一些假設。
/ Additive Flow
Additive Flow 是用於多材料和多屬性設計的創成式設計軟體，Additive Flow 提供了明確面向多材料設計的軟體插件（用於Rhino CAD）。Additive Flow 可以處理具有自定義參數的單一或多種材料的製造能力，並運行實時自動化仿真和優化，在創成式設計過程中提供快速建議和折衷方案。
Additive Flow 的獨特功能包括：設置單一材料的參數，多種材料及其製造能力的兼容性，該軟體提供了從單一材料到多種材料的清晰對比，因此受約束和不受約束的設計工程師都在材料、幾何形狀和應用方面有更多選擇，以滿足他們的技術要求。目前一些希望實現功能梯度材料設計的設計師正在嘗試使用Additive Flow。
Additive Flow 正在和成熟的3D列印設備企業合作，涉及到的3D列印技術從冷噴塗、定向能量沉積（LMD）、粉末床金屬熔融、粘結劑噴射到熔融沉積成形。例如Additive Flow 已與冷噴塗和定向能量沉積3D列印企業建立了合作，開發在不發生金屬間化合物的情況下，將具有適當過渡的不同材料連接起來的方法。
/ 挑戰
然而，每個增材製造工藝和各種材料的多材料設計規則仍然需要研究。此外，應該對每個AM增材製造過程的多材料組件設計進行深入研究。此外，能夠進行多材料 組件設計、多學科優化和仿真方法的 CAD 軟體包需要進一步研究。
論文連結
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S026412752300076X