三维打印

多材料三维打印：革新设计和功能

1 月 2, 2025

探索多材料三维打印的变革潜力，在航空航天、生物医学和电子等行业实现具有定制特性的复杂物体。探索增材制造的技术、应用和未来。

多材料三维打印：创建增强功能的复合物体

本文首先介绍了多材料三维打印在产品开发中的重要性。然后深入探讨了多材料打印的各种技术方法，包括材料喷射、熔融沉积建模（FDM）、立体光刻（SLA）、粉末床熔融（PBF）等技术，以及顺序打印和协同打印的方法。随后，文章讨论了多材料三维打印在生物医学、航空航天、消费品和电子等不同领域的应用。文章还讨论了当前的挑战和未来的发展方向, 重点是技术障碍和研究进展。

通过快速强调计划和按需组装复杂的计算，添加物质制造改变了产品的开发。无论如何，传统的三维打印仅限于用单一材料制造物品。多材料三维打印技术允许在一个单独的物品中加入不同的材料，从而克服了这一障碍。这种技术允许将经过调整的材料特性设计到部件的明确位置，从而使三维打印技术超越了基本的原型制造技术。

复杂的组合件现在可以复制为单独的部件，从而简化了组装过程。多材料能力同样也能制造出新的理想模型，而这在以前是无法实现的。本文探讨了正在兴起的多材料三维打印领域和重塑项目开发潜力。文章将概述完成多材料打印的不同专业方法，从流式理念到粉末床技术。此外，还将考察各行各业的大量使用案例，以展示可认证的应用。

最后，通过有前途的新研究，突破了多材料添加物生产的极限，使这一专业难题的发展势头趋于结束。随着这一领域的不断发展，设计者和购买者将可以实现有用的部件固化和已经难以想象的计划。一项研究可以为多材料三维打印创新中不断发展的兴趣提供有益的经验。

将 "多材料三维打印 "等关键词的搜索量模式与 "三维打印 "等更宽泛的术语进行对比，有助于衡量一段时间后人们对这一特殊附加物质生产策略的认知和接受程度。观察各地区搜索量的对比，可以为推动多材料 3D 打印应用的发展和普及的地区提供提示。这将有助于可能的金融支持者或希望进入发展中商业领域的组织。

对相关搜索词进行分析，可以了解目前推动对多材料 3D 打印能力的兴趣和投资的关键行业。可以对与航空航天、医疗、电子等行业相关的搜索词进行分析和比较。多材料三维打印主题搜索量的季节性波动可能与贸易展、大学学期或产品发布周期相关联，从而为研究和开发进展的影响因素提供洞察力。

跟踪发展中企业搜索份额的增减情况原型制作中的 3D 打印系统可以提供行业内不断变化的竞争态势和技术应用趋势。尽管这仍是一个新兴领域，但分析有助于量化全球范围内对下一阶段快速成型制造技术的认识和采用。

用于多种材料印刷的材料喷射技术

材料喷射非常适合多材料三维打印，因为它可以通过多个打印头同时沉积不同的材料。这样就能在精确控制材料过渡的情况下制作出复杂的几何形状。材料流的一个重要优点是，它能够制造出微观尺寸精度和光滑表面。Stratasys 的 Connex 框架是利用材料流进行多材料 3D 打印的主要创新技术之一。

Connex 系统采用喷墨三维打印技术，能够在打印过程中喷射两种或三种不同的塑料材料。这样就能制作出具有不同特性（如柔韧性和刚度）的零件。Stratasys 为 Connex 系统开发了兼容材料，这些材料经过优化，可同时生产具有这些不同特性的零件。在材料喷射过程中，打印头将光敏树脂液滴喷射到构建平台上。

这些液滴在紫外线照射下会迅速凝固，从而能够快速连续地形成层。材料喷射打印头能够以微米级的精度选择性地沉积不同的材料。这使得由多个打印头喷射的材料之间的过渡高度精确，材料之间的混合或渗色现象极少。材料喷射技术的进步正在扩大可加工材料的范围。

Nano dimension 开发出了导电和介电 "数字油墨"，可同时喷射，通过材料喷射生产出具有电气功能的电子器件。这就避免了后续电路组装的需要，并能创建内嵌电子元件的复合物体。还可以将多种油墨组合在一起，实现全彩打印功能。例如，objet500 Connex 3D 打印材料通过喷射不同比例的不同颜色的感光聚合物材料，Stratasys 公司的打印机能够打印出多达 1600 万种颜色的模型。这一美学应用展示了材料喷射对材料成分的精确控制。

熔融沉积建模方法

熔融沉积建模（FDM）是另一种适合多材料应用的 3D 打印策略。分时多工 FDM 的工作原理是逐层软化和挤出热塑性纤维，可将多种材料加工成实用部件。多材料 FDM 打印的常见方法是在同一个打印头组件上安装多个挤出机。每个挤出机可独立控制，以同时或依次挤出不同的材料。现在，许多台式 FDM 打印机都包括双挤出机选项，以方便基本的多材料打印。

更先进的实施方法是定制带有四个或更多独立挤出机的 FDM 系统。其中一个系统用于三维打印复杂的组织结构，通过顺序挤出材料来确定不同的细胞结构、细胞外基质和嵌入细胞的模式。FDM 的另一个主要优势是能够生产 TPU 等弹性材料，从而将柔性部件与刚性较强的塑料结合在一起。

一项研究使用 FDM 三维打印腕部矫形器，在刚性和柔性部分交替使用 ABS 和 TPU 层。对于 FDM 而言，控制不同沉积材料之间的界面非常重要。其中一种方法是在打印头内使用被动混合过程，在边界处产生渐变过渡。其他研究还对表面处理进行了调查，以增强不相溶的 FDM 印刷塑料之间的粘合力。

立体光刻和粉末床融合技术

立体光刻（SLA）是一种典型的基于槽光聚合的三维打印工艺，它利用明亮的光源，以逐层的方式将流体汁液特别固定到坚固的设计中。针对利用 SLA 进行多材料打印的问题，分析人员已经制定了一些策略，例如利用各种焦油槽进行交换，或采用独特的焦油混合框架。粉末床熔融（PBF）技术，如特定激光烧结（PBF）技术，可以在不同的材料之间进行转换。SLS)和激光粉末床熔融（LPBF）的工作原理是利用激光或电子束等能量源将粉末材料进行特殊熔融。

与 SLA 完全不同的是，这些技术通常支持使用各种粉末材料，只要它们能被特别组合在一起。多材料 PBF 的早期方法包括制作含有不同材料的丝状或预混合粉末。现在，更先进的系统结合了多个独立的粉末进给机制，以沉积不同的材料。例如，我们开发了一种专有的多材料 LPBF 系统，通过 3D 打印头中的喷嘴从独立的进料器中输送粉末材料。

对粉末沉积和熔化参数的精确控制对于实现强大的熔化性能非常重要。惠普多重喷射融合技术使用 PBF 印刷的不同材料之间的缺陷。激光功率、扫描速度、舱口间距和层厚度等因素都会影响材料的结合能力，并避免材料界面出现缺陷。在使用不相容的金属粉末时，有时还需要进行后处理热处理，使零件完全致密化，并改善粘合效果。总的来说，两种服务级协议和 PBF 提供了用多种材料制造零件的机会，并受益于通过改进系统促进多材料打印的进步。

顺序印刷和联合印刷方法

处理多材料三维打印有两种主要方式--连续打印和多种材料共同打印。连续打印包括一点一点地存储各种材料，而共同打印则是同时存储材料。对于基于挤出的三维打印技术，通常使用多个挤出机或打印头来实现连续打印。一台定制的直接墨水写入（DIW）打印机有四个独立的墨水储存器，可以按照预定顺序精确地沉积不同的生物墨水，以三维打印具有不同细胞结构和模式的复杂组织结构。

另一项研究使用了类似的多挤出机直接成型系统，依次打印离子导电油墨、逸散油墨和弹性基质，以制造具有嵌入式传感和流体网络的软机器人致动器。通过对每个挤出机 Z 轴运动的精确控制，不同的功能特征得以无缝集成。粘合剂喷射是一种增材制造工艺，适用于各种粉末材料的连续沉积。

研究人员探索了利用粘合剂喷射技术将磷酸铁锂和钛酸锂油墨依次沉积到 3D 打印工具高能量密度的电池结构。该工艺首先沉积一种电极材料，然后交替沉积另一种电极材料，以形成相互咬合的阴极和阳极结构。对于多种材料的共同打印，方法包括在打印过程中混合或切换材料，而不停止构建。

微流控喷头的开发允许粘弹性油墨的连续混合和流动，从而在单个三维打印部件中实现成分梯度和变化。改良型三维打印机还集成了多个独立控制的喷头或喷嘴，以共同打印材料。其中一个系统使用了 16 个喷嘴，以相互咬合的模式间隔开来，在不中断打印的情况下，按照规定的顺序将软材料适形地沉积到基底上。研究人员还通过两个喷头同时喷射不同的聚合物墨水，打印出了多材料聚合物晶格。总之，通过在复杂的空间布局中可控地加入不同材料，顺序打印和协同打印方法都拓展了 3D 打印对象的设计空间。

多材料三维打印的应用

多材料三维打印技术可制造出包含具有定制特性的区域或组件的复杂物体，因此已在各行各业得到广泛应用。利用这项技术的主要应用领域包括生物医学、航空航天、消费品和电子产品。在生物医学领域，研究人员利用 3D 生物打印技术的进步用于组织工程应用。一项研究使用多挤出机三维打印机生产出了工程组织构建物，其中包含精确定位在单个层上的不同类型的活细胞，用于细胞培养研究等应用。

这种方法允许在单个打印结构中培养多个细胞系。骨科和牙科植入物是采用多材料三维打印技术的其他生物医学领域。例如，3D 打印已被用于制造定制的骨植入物，其中包含沉积在生物相容性聚合物基质中的骨传导陶瓷。通过对不同材料进行梯度处理，可以优化植入物的性能，使其符合当地骨骼的特性，从而达到最佳效果。加强奥塞欧一体化.

在航空航天领域，多材料三维打印技术允许在承重区域放置高强度合金，同时在不太重要的区域放置注塑或铸造热塑性部件，从而有助于优化轻质设计。一项研究通过选择性沉积不锈钢和铬镍铁合金，用三维打印技术为燃气涡轮发动机打印热交换器。消费品公司利用多材料三维打印技术，通过将硬质塑料嵌入柔软触感的热塑性弹性体，制造出符合人体工程学的手柄、握把、鞋底和其他部件。

体育器材制造业也从中受益，该技术能够制造出具有定制性能的球拍、护具和其他设备。电子行业利用多材料三维打印技术在外壳和印刷电路板中嵌入导电迹线、焊料、模具和其他电子元件。一项研究展示了全 3D 打印电池，其中包含用于便携式电子产品应用的离散阴极、隔膜和阳极部分。随着多材料三维打印技术的普及和能力的不断提高，其应用有望进一步扩展到软机器人、建筑和可持续产品设计等新领域，在这些领域中，集成多功能性具有独特的优势。

结论

多材料三维打印是一种新兴的添加物质制造创新技术，它通过在一个单独的打印对象中加入多种材料来改进零件的设计和实用性。正如本文所述，目前有几种技术可用于制造多材料零件，每种技术都有其优点，也有其局限性，具体取决于应用情况。在此期间，可行的材料混合物不断扩大可设想的结果。在解决界面保持、热负荷以及成分材料的精确混合或见证等难题方面，正在取得巨大进展。

一半一半框架的进展进一步提升了控制和连接。高通量创建同样仍在进行中，但体积方法显示出了保证。一般来说，多材料三维打印为专家和时装设计师提供了惊人的适应性，可按需定制属性。随着不同AM工艺的改进、新型材料计划的出现以及新应用的研究，多材料三维打印技术将不断进步。创建率与底层复杂性的比例关系对于实现最大产能至关重要。

这为寻找具有规定倾向或可嵌入硬件的复合材料的企业打开了一扇巨大的大门。此外，生物灵感还能通过多种材料的结合，激发更协调、更实际的复杂开发。随着进一步的发展和完善，该领域将改变各学科的制造工艺。