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多材料3D打印介紹

魔猴君知識堂 164天前

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顧名思義，多材料3D打印包括在同一連續(xù)打印過程中3D打印多種材料。這與多色打印不同，多色打印以多種顏色變化打印材料。盡管多材料打印品可以由多種顏色組成，但基本目標(biāo)是獲得所用不同材料特性的組合。例如，導(dǎo)電性、硬度、柔韌性、透明度、耐化學(xué)性等。在某些情況下，有必要將其中一些特性組合到單個物體中，以便充分利用其應(yīng)用，因此多材料3D打印解決方案的存在。

多材料3D打印還允許用不同的材料打印支撐結(jié)構(gòu)，這些材料可以在后處理過程中輕松去除。例如，PVA和HIPS就是這種情況。此外，多材料3D打印大大減少了后處理操作：最終零件在一個部件中生產(chǎn)，從而消除了通常耗時的組裝步驟。

多材料3D打印的有效性取決于所使用的技術(shù)和材料。盡管市場上有大量的實(shí)驗(yàn)和不斷的進(jìn)步，但并非所有工藝都適合同時打印多種材料。目前，多材料3D打印可以通過SLA實(shí)現(xiàn)，例如使用具有不同材料的多個儲罐，但也可以使用材料噴射。在后一種情況下，打印頭配備了多個噴嘴，使用2D打印機(jī)中的噴墨技術(shù)投射不同的材料。

然而，FDM是目前最高效、最先進(jìn)的多材料3D打印解決方案之一，特別是對于增材制造新手來說。與其他打印工藝相比，F(xiàn)DM成本效益高、操作簡單，并且可以加工各種熱塑性塑料和復(fù)合材料。根據(jù)其配置，F(xiàn)DM打印機(jī)已經(jīng)可以打印不同的材料。但是，根據(jù)您機(jī)器的版本，需要考慮一些事項，我們將在下面介紹。因此，本指南重點(diǎn)關(guān)注通過擠出工藝進(jìn)行的多材料3D打印。

多材料3D打印

盡管可以使用不同的技術(shù)進(jìn)行多材料打印，但FDM工藝是最先進(jìn)的（照片來源：采用Quantica/Quantica的Novojet技術(shù)進(jìn)行打?。?。

多材料3D打印工藝

與任何打印工藝一樣，多材料3D打印從設(shè)計開始。如今，最常見的CAD軟件會考慮這種或那種材料之間的差異，并能夠考慮它們各自的特性。為了成功進(jìn)行多材料3D打印，設(shè)置正確的切片器設(shè)置非常重要，因?yàn)榇蛴C(jī)需要知道何時應(yīng)打印每種材料。因此，無論是使用一臺擠出機(jī)還是多個噴嘴的解決方案，機(jī)器的配置都至關(guān)重要。讓我們仔細(xì)看看不同的可能性！

單打印頭

使用標(biāo)準(zhǔn)FDM打印機(jī)完全可以實(shí)現(xiàn)多材料3D打印。但是，如果打印機(jī)具有單噴嘴擠出機(jī)，則必須手動完成材料更換。因此，一旦新材料開始發(fā)揮作用，打印機(jī)必須立即中斷打印，相應(yīng)的暫停已集成到G代碼中。根據(jù)切片機(jī)的不同，此步驟可能非常簡單或非常復(fù)雜。

通常，即使在處理小零件時，在標(biāo)準(zhǔn)打印機(jī)上打印多種材料也非常耗時且費(fèi)力。如果每層使用多種材料并且材料不逐層交替，則該過程會變得更加困難。

在設(shè)計過程和切片過程中必須考慮到不同的材料（照片來源：UltiMaker）。

除了手動更換耗材外，還有一些打印機(jī)可以使用多個耗材進(jìn)行打印。主要用于多色打印的一個例子是熱混合器。然而，如果該系統(tǒng)用于打印多種材料，則各自的打印溫度必須非常接近（理想情況下相同），以避免打印錯誤。

如果您使用的是配備Bowden擠出機(jī)的打印機(jī)，則可以使用經(jīng)典的Y形分離器來組合兩種不同的材料。在鮑登系統(tǒng)中，材料被交替使用和擠壓，但總是“準(zhǔn)備好”形成同名的Y形狀。這種方法也用于雙色打印，并且可以擴(kuò)展到用于多個擠出機(jī)的雙Y形分離器。

除了這些硬件功能之外，您還可以選擇使用附加模塊或“附加組件”來增強(qiáng)打印機(jī)，以使用多種材料進(jìn)行打印。憑借MMU1、MMU2和最新的MM3多材料升級套件，Prusa創(chuàng)建了附加組件，允許使用最多五種不同的耗材進(jìn)行打印。MMU可簡單地連接到單一材料打印機(jī)，并使用基于分流器的Bowden擠出系統(tǒng)來打印多種材料。

Prusa3D憑借其多材料升級(MMU)提供了打印多種材料的可能性（照片來源：Prusa3D）

我們還可以提到馬賽克調(diào)色板，它可以將細(xì)絲切割成正確的尺寸并重新組裝成單個精確的打印細(xì)絲。然后可以直接打印，無需更改或暫停。一些制造商現(xiàn)在正在為其打印機(jī)配備額外的系統(tǒng)，用于多色或多材料3D打印。憑借其AMS（自動化材料系統(tǒng)），Bambu Lab創(chuàng)建了一種解決方案，不再限制用戶使用單根燈絲進(jìn)行打印，并允許進(jìn)行多功能、美觀和功能性的打印。

也就是說，如果機(jī)器上有多個熱端，則多材料打印會更容易實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，每種材料都有對應(yīng)的噴嘴，因此前一種材料的殘留物不會堵塞噴嘴。已經(jīng)有帶有兩到四個熱端的單獨(dú)打印頭。然而，這些打印頭較重，這會影響打印速度。

該打印頭可同時打印4根細(xì)絲（照片來源：哈佛大學(xué)約翰·A·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院）

多個打印頭

如果我們將多噴嘴材料擠出方法擴(kuò)展到多個打印頭，則可以進(jìn)一步增加材料的種類。這種方法還取得了更好的效果，因?yàn)椴煌牟牧蠜]有在熱端組合成單個加熱塊。IDEX（獨(dú)立雙擠出機(jī)）打印機(jī)就是一個眾所周知的例子。

這些打印機(jī)配備了兩個可以彼此獨(dú)立移動的擠出機(jī)。各個細(xì)絲的單獨(dú)路徑可防止噴嘴中的障礙物或堵塞，并且可以提前消除多材料3D打印中的一些最常見的錯誤。然而，IDEX打印機(jī)只能同時打印兩種材料。這些通常是基礎(chǔ)材料和支撐材料。

工具更換裝置是突破雙擠出機(jī)極限的一種工具。這可以在操作期間改變頭。這些不僅僅是打印頭，而且還可以切割、銑削和鉆孔（用于混合制造）。

IDEX打印機(jī)配備了兩個獨(dú)立的擠出機(jī)，因此可以在同一打印過程中處理兩種類型的線材（照片來源：Raise3D）。

應(yīng)用、優(yōu)點(diǎn)和局限性

多材料3D打印的主要目標(biāo)是賦予最終零件不同的屬性。這些可能與外觀、機(jī)械、化學(xué)特性或質(zhì)地有關(guān)。例如，最終的作品可能有光澤和啞光部分。

因此，就材料特性而言，多材料打印品可以是堅硬的、耐熱的，甚至是柔性的。表面也可以以特定的方式創(chuàng)建，并對后處理和觸感產(chǎn)生積極的影響。通過消除在多材料打印中組裝各個組件的需要，甚至完全消除了繁瑣的后處理步驟。

這些材料的不同組合特性也為廣泛領(lǐng)域開辟了眾多應(yīng)用可能性。多材料3D打印用于機(jī)器人和軟機(jī)器人中的微流控芯片或夾具，這些領(lǐng)域需要靈活、柔軟的零件和堅固、耐用的零件。多材料3D打印也越來越多地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。TPU和碳纖維復(fù)合材料等材料通常結(jié)合起來制造3D打印假肢。

多材料打印用于零件需要不同屬性的許多領(lǐng)域，例如硬質(zhì)和軟質(zhì)（照片來源：UltiMaker）

在設(shè)計打印對象時，會出現(xiàn)不同材料應(yīng)如何組合在一起的問題，例如它們是否應(yīng)該重疊或混合。創(chuàng)建形狀適合的結(jié)構(gòu)和材料適合的結(jié)構(gòu)非常重要。有些細(xì)絲由于特性不同而不能很好地結(jié)合。例如，如果加工溫度相差太遠(yuǎn)，則很難同時使用它們。還要考慮材料與板材以及彼此之間的粘附力。

材料特性也決定了打印特性。不同的材料在打印機(jī)中需要不同的噴嘴溫度、打印床溫度、速度和回縮設(shè)置。組合兩種或多種材料時必須考慮所有這些參數(shù)。例如，如果您使用帶有單個熱端的單個擠出機(jī)，所有使用的材料均從該熱端擠出，則必須注意確保它們此時不會混合。否則，噴嘴可能會堵塞，在最壞的情況下，必須更換噴嘴。當(dāng)使用不尋常的材料（例如木材或金屬）進(jìn)行打印時尤其如此。如果使用多臺擠出機(jī)，未使用的噴嘴的流量可能會成為問題；這種現(xiàn)象也稱為“滲漏”。

多材料3D打印FDM打印機(jī)制造商

如上所述，目前有多種用于多材料3D打印的打印機(jī)，包括桌面解決方案、工業(yè)系統(tǒng)以及各種附加組件和升級。最早的多材料打印機(jī)之一是2006年推出的Fab@Home。在制造商方面，Prusa、Bambu Lab和Flashforge以其解決方案脫穎而出，還有Raise3D和UltiMaker。特別值得注意的是Flashforge Creator 4、具有多達(dá)五種材料的Prusa XL以及Raise3D的E2。

工業(yè)解決方案由Modix提供的Modix Big-120Z、OMNI3D提供的Factory 2.0和Factory 2.0 NET以及WASP提供的Delta WASP 2040 Industrial X等。AIM3D還專注于工業(yè)級的多材料3D打印，甚至在其打印系統(tǒng)中結(jié)合了顆粒和長絲。無論您選擇哪種解決方案來成功實(shí)施多材料3D打印，都必須提前考慮材料屬性和打印機(jī)設(shè)置。