多材料3D打印介紹

魔猴君  知識堂   160天前

顧名思義，多材料3D打印包括在同一連續打印過程中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，但基本目標是獲得所用不同材料特性的組合。例如，導電性、硬度、柔韌性、透明度、耐化學性等。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構，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，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和材料。盡管市場上有大量的實驗和不斷的進步，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實現，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打印機中的噴墨技術投射不同的材料。

然而，FDM是目前最高效、最先進的多材料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，FDM成本效益高、操作簡單，并且可以加工各種熱塑性塑料和復合材料。根據其配置，FDM打印機已經可以打印不同的材料。但是，根據您機器的版本，需要考慮一些事項，我們將在下面介紹。因此，本指南重點關注通過擠出工藝進行的多材料3D打印。

多材料3D打印

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

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。為了成功進行多材料3D打印，設置正確的切片器設置非常重要，因為打印機需要知道何時應打印每種材料。因此，無論是使用一臺擠出機還是多個噴嘴的解決方案，機器的配置都至關重要。讓我們仔細看看不同的可能性！

單打印頭

使用標準FDM打印機完全可以實現多材料3D打印。但是，如果打印機具有單噴嘴擠出機，則必須手動完成材料更換。因此，一旦新材料開始發揮作用，打印機必須立即中斷打印，相應的暫停已集成到G代碼中。根據切片機的不同，此步驟可能非常簡單或非常復雜。

通常，即使在處理小零件時，在標準打印機上打印多種材料也非常耗時且費力。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，還有一些打印機可以使用多個耗材進行打印。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擠出機的打印機，則可以使用經典的Y形分離器來組合兩種不同的材料。在鮑登系統中，材料被交替使用和擠壓，但總是“準備好”形成同名的Y形狀。這種方法也用于雙色打印，并且可以擴展到用于多個擠出機的雙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”來增強打印機，以使用多種材料進行打印。憑借MMU1、MMU2和最新的MM3多材料升級套件，Prusa創建了附加組件，允許使用最多五種不同的耗材進行打印。MMU可簡單地連接到單一材料打印機，并使用基于分流器的Bowden擠出系統來打印多種材料。

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

也就是說，如果機器上有多個熱端，則多材料打印會更容易實現。在這種情況下，每種材料都有對應的噴嘴，因此前一種材料的殘留物不會堵塞噴嘴。已經有帶有兩到四個熱端的單獨打印頭。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根細絲（照片來源：哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院）

多個打印頭

如果我們將多噴嘴材料擠出方法擴展到多個打印頭，則可以進一步增加材料的種類。這種方法還取得了更好的效果，因為不同的材料沒有在熱端組合成單個加熱塊。IDEX（獨立雙擠出機）打印機就是一個眾所周知的例子。

這些打印機配備了兩個可以彼此獨立移動的擠出機。各個細絲的單獨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打印機只能同時打印兩種材料。這些通常是基礎材料和支撐材料。

工具更換裝置是突破雙擠出機極限的一種工具。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打印機配備了兩個獨立的擠出機，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）。 

應用、優點和局限性

多材料3D打印的主要目標是賦予最終零件不同的屬性。這些可能與外觀、機械、化學特性或質地有關。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建，并對后處理和觸感產生積極的影響。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域開辟了眾多應用可能性。多材料3D打印用于機器人和軟機器人中的微流控芯片或夾具，這些領域需要靈活、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用于醫學領域。TPU和碳纖維復合材料等材料通常結合起來制造3D打印假肢。

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

在設計打印對象時，會出現不同材料應如何組合在一起的問題，例如它們是否應該重疊或混合。創建形狀適合的結構和材料適合的結構非常重要。有些細絲由于特性不同而不能很好地結合。例如，如果加工溫度相差太遠，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中需要不同的噴嘴溫度、打印床溫度、速度和回縮設置。組合兩種或多種材料時必須考慮所有這些參數。例如，如果您使用帶有單個熱端的單個擠出機，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。當使用不尋常的材料（例如木材或金屬）進行打印時尤其如此。如果使用多臺擠出機，未使用的噴嘴的流量可能會成為問題；這種現象也稱為“滲漏”。

多材料3D打印FDM打印機制造商

如上所述，目前有多種用于多材料3D打印的打印機，包括桌面解決方案、工業系統以及各種附加組件和升級。最早的多材料打印機之一是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、具有多達五種材料的Prusa XL以及Raise3D的E2。

工業解決方案由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還專注于工業級的多材料3D打印，甚至在其打印系統中結合了顆粒和長絲。無論您選擇哪種解決方案來成功實施多材料3D打印，都必須提前考慮材料屬性和打印機設置。

Bambu Lab的AMS允許您處理不同的線材以進行多色或多材料打印（照片來源：Bambu Lab）。

來源：3dnatives