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增材制造(AM)或3D打印通过其快速和几何复杂的能力以及经济效益彻底改变了制造业。
在过去十年中，汽车、航空航天、医疗甚至食品行业的无数企业都采用了这种方法。尽管这场革命引发了单一材料使用的广泛创新，但制造业仍在不断发展。
3D打印机现在有能力在用户可定义的位置创建性能改进的多材料系统。这意味着在单个组件中，硬度，耐蚀性，而环境适应可以定义在最需要它的领域。这些新工艺可以制造出令人兴奋的多功能零件，这是传统的单一材料AM工艺所无法实现的。
金属、陶瓷和聚合物的AM目前正在评估中，以在一次操作中结合多种材料，并且已经生产出以前从未生产过的部件。
虽然多材料AM仍处于起步阶段，但研究人员正在将他们的思维模式转向这种独特的方法，这表明该技术正开始超越研发阶段，进入现实世界的应用。
这篇综述旨在强调3D打印聚合物基、金属-金属和金属-陶瓷应用的范围，同时讨论添加制造的多材料结构的优势和挑战。
添加制造(AM)或3D打印包含一个革命性想法的三个基本概念:通用、实用和高效。当你考虑3D打印有多“普遍”以及它已经影响了哪些领域时，影响是相当显著的。
由于这可能是金属、聚合物和陶瓷材料的飞跃，想象一下能够3D打印出地球上每个人都曾经渴望的东西:食物。
有能力想到你的食物，把它上传到打印机，并看到它直接在你面前自动打印你的饭菜不再是一个未来的想法。
披萨，形状复杂的巧克力，甚至蛋糕都是使用3D打印技术打印出来的，几乎没有材料浪费，证明了这一过程的实用性和效率。
由于3D打印是一个完全可定制的过程，即使是简单的厨房之旅也会受到随时打印独特、令人垂涎的饭菜的能力的影响。
虽然这种定制对基于食品的应用很有吸引力，但3D打印已经在整个STEM领域产生了设计个性化部件的巨大吸引力。
Nike完全改变了顾客对鞋子性能的看法，它推出了一款3D打印足球防滑钉，优化了防滑钉的附着力，同时减轻了重量。
通用电气公司创造了其新的CFM飞跃飞机发动机与附加制造的燃料喷嘴，这将组件减少到只有一个部分，比以前使用的整个18部分系统轻25%。
甚至医疗行业及其患者也在很大程度上受益于这项技术，3D打印植入物为特定患者量身定制，以减少手术和恢复时间。
为患者量身定制这些植入物也有助于获得更合适的产品，从而减少外观缺陷并提高植入物的整体性能。
由于其显而易见的普遍实用性和效率，预测该过程在未来几年将如何发展是一项挑战。
多材料增材制造(MM-AM)正在向前迈出第一步，超越单一材料产品，成为具有创新前景的多材料组件。
拥有3D打印的所有优势(材料和资源效率、零件和生产灵活性、缩短生产周期、提高性能等)，这些组件可以有多种具有复杂几何形状和附加功能的材料。
拿一块普通的巧克力棒来说。
3D打印你想要的尺寸的酒吧是相当有趣的，但想象一下更进一步。
有了MM-AM，你可以用同样的巧克力棒，加入焦糖、牛轧糖，甚至是花生酱涂层，制作出不同口味的个性化巧克力棒。
通过MM-AM根据您的特定口味定制糖果棒，您可以看到将多种材料添加到同一结构中以获得最理想组合的直接吸引力。
同样的想法正在工程材料的MM-AM中实施，其中巧克力棒中的焦糖不是为了增加甜味，而是金属棒中的陶瓷材料，以增加耐磨性和耐腐蚀性。
牛轧糖甚至可以是更硬的金属，以增加表面硬度，花生酱涂层可以是用于骨植入应用的生物相容性涂层。
这种增加的功能是MM-AM流程背后的驱动因素，其*特中**定区域的功能可以放置在用户可定义的位置，以创建高性能的系统。
图1给出了一个简单的概述，强调了组成这些系统的一般材料组合、基于材料类型的最适合的AM工艺以及可能的材料性能改进。
如图2所示，传统的制造工艺必须单独制造系统部件，并在制造后将它们连接起来以形成复合部件。
巧克力棒的类比也是如此；在最终产品制成之前，传统的酒吧必须通过装配线上的多台机器。
使用MM-AM，可以在一台机器上通过一个连续的步骤制造具有不同材料的梯度或独立区域的复合结构，这使得复合部件可以直接从设计阶段进入最终部件。
由于其简单性和广泛兼容的材料选择，聚合物3D打印是最先发展到MM-AM的工艺之一。
如图3所示，自行车头盔、橄榄球头盔和可穿戴手套等多色组件的外观非常逼真，多功能智能聚合物复合材料也随着环境的变化而改变其几何形状，称为4D印刷。
虽然多材料聚合物部件令人兴奋，但它们主要是作为概念验证原型，展示功能性多材料系统的可能性。
为了超越这个原型阶段，真正开始看到现实世界的应用，金属的3D打印已经开始适应金属复合材料的MM-AM。
单一材料3D打印是大多数行业目前正在实施的产品，但将设计局限于单一材料会阻碍潜在的改进，从而增加零件的寿命和性能。
与传统工艺相比，MM-AM工艺的独特焊接方式可以在多种金属之间形成优异的焊接，因为没有焊缝会导致应力集中。
而且，由于这两种材料都以粉末形式开始，通过传统方法难以结合的多种金属可以更容易地结合。
然而，MM-AM的独特能力在于，它不仅能以100%的成分组合两种不同的材料，还能产生预先设计的混合物的均匀区域。
这种想法导致了多种材料的组合，例如Inconel 718和铜合金GRCop-84、非磁性和磁性不锈钢、以及Ti6Al4V上的铌的各种混合物。
MM-AM工艺还表明，它们可以通过向新的或预先存在的结构中添加不同的相(如二次金属相)来改变金属属性。
此外，通过控制这些相的数量，还可以控制金属的性质。
虽然组合多种材料是有影响的，但生成特定性能区域可能是MM-AM最重要的能力，因为它可以在单个制造操作中生产零件及其性能变化，而不是多个步骤。
这促进了金属MM-AM的发展，因为可以在期望的位置用金属-金属和金属-陶瓷组合制成均匀的混合物，就像巧克力棒中的巧克力和焦糖组合一样。
功能梯度材料(FGM)不是局限于将两种合金焊接在一起，而是通过在特定位置沉积金属或陶瓷材料来局部提高性能。
当这些材料设计选择得到适当解决时，与传统制造工艺相比，MM-AM可以对材料属性进行更多控制，以创建这些前所未见的结构。
金属-陶瓷零件通过AM工艺结合在一起，形成具有高性能涂层的金属结构，如Ti6Al4V上的碳化硅复合涂层。
类似地，碳化钒(VC)被制造到不锈钢上以增加耐磨性并且由Ti6Al4V组成的FGM过渡到100%氧化铝(Al2O3)以显著增加硬度。
100%氧化铝在氧化铝基材上的沉积和分级氧化铝在不锈钢/钛上的沉积也已在多种应用中得到证实。
反应工艺已经完成，以根据环境产生陶瓷区域原地的Ti6Al4V合金上合成的TiB-TiN增强涂层。
MM-AM通过制造完整组件、新材料和精确控制材料属性来推进AM工艺。
独特的逐层构建AM方法允许材料的特定放置，通过这样做，可以在精确的位置控制材料属性，逐渐添加，并为特定应用量身定制。
MM-AM是一种革命性的方法，能够影响和改善我们日常生活中使用的各种物品。
MM-AM是基于结合多种材料来提高其中一个组件的整体性能。
无论是多种聚合物、金属还是金属和陶瓷，这些材料的组合对于构建过程都有一般的限制。
该工艺本身对于现实世界的应用也有局限性，例如尺寸精度和大小、后处理的需要、不能在相同的环境下同时处理不同的材料组合等。
在探讨具体的例子之前，必须注意到，在ASTM国际标准规定的7个通用AM类别中，有5个类别目前显示出最适合创建多材料结构。
这包括粘合剂喷射、材料喷射、材料挤压、定向能沉积(DED)和基于层压的工艺，描述了它们各自的一些优点和缺点。
AM的设计能力与金属和合金的机械性能相结合，在设计师和高性能最终零件之间建立了无与伦比的联系。
最常见的金属调幅工艺是直接金属激光熔化/熔合(DMLM/DMLF)、电子束熔化(EBM)、激光工程净成形(透镜)、直接激光/能量/金属沉积(DLD/DED/DMD)、基于激光的金属线沉积(LMWD)和电子束自由成形制造(EBF)。
由于熔化温度和相关热应力的高度不匹配，很难将金属和陶瓷结合成一个部件。
陶瓷能够有效熔化和流动的温度可能高于金属的温度，在某些情况下，在陶瓷甚至能够开始流动之前，该温度已经导致金属蒸发。
这是在制造Ti6Al4V-Al时观察到的2O3结构。通常对于任何熔化和固化制造过程，环境控制对于控制任何氧化或与环境的其他反应以消除反应产物是重要的。
通过保护气体或在惰性气氛中操作的气氛控制被广泛用于当前的焊接实践以减少氧化。
然而，MM-AM通过使材料与环境或系统中存在的另一种材料反应来利用这种反应。
由于MM-AM包含了越来越多的功能，可以有把握地认为，未来的MM-AM技术甚至可能不需要打印机来生产进入系统的所有材料。
HAM工艺已经引起了学术界和工业环境的广泛关注，因为它的多材料、多功能能力真正允许制造和通常认为的后期制作同步进行。
参考文献
《多材料结构的添加制造》