[论文解读] A Review of Multi-material and Composite Parts Production by Modified Additive Manufacturing Methods

Maziar Toursangsaraki|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2018

Additive Manufacturing and 3D Printing Technologies参考文献 156被引用 16

一句话总结

本文综述了改进的增材制造（AM）方法，通过在单一制造过程中整合多种材料，实现了多材料和复合材料零件的生产。文章强调了工艺改进在提升材料多样性、通过一体化设计减少零件数量，以及提升复杂部件的功能性能和重量效率方面的优势。

ABSTRACT

Aside from the capability of additive manufacturing (AM) methods in fabricating components with complex geometries, two crucial potentials of this manufacturing process that are worth mentioning are its flexibility in being combined with other production methods as well as use of a variety of materials in a single production platform to make multi-material and composite products. Implementation of multiple materials in integrated structures has been shown to improve the functionality, weight reduction and, by merging the assembly and production into one stage, modify the manufacturing processes. Different approaches towards modification of AM processes aimed to reach multi-material or composite parts are being reviewed in this paper.

研究动机与目标

• 探讨增材制造（AM）如何通过改进以实现具有增强功能性的多材料和复合部件的生产。
• 识别能够实现在单一AM平台中整合多种材料的工艺改进方法。
• 分析多材料AM对零件整合、减重和制造效率的影响。
• 评估当前技术状态，识别材料相容性和工艺控制方面的关键挑战。
• 全面概述利用改进型AM方法生产功能性、混合结构零件的新兴技术。

提出的方法

• 聚焦于多材料和复合零件生产的改进型增材制造工艺的系统性综述。
• 分析结合传统AM与二次工艺（如材料沉积、后处理和原位材料混合）的混合AM技术。
• 评估材料沉积策略，包括双喷嘴系统、多材料喷嘴和不同原料的顺序分层。
• 检查影响多材料AM中界面结合力、尺寸精度和机械完整性的工艺参数。
• 回顾成功实现异种材料（如金属、聚合物、陶瓷）在单个部件中集成的案例研究。
• 评估技术局限性，如材料不匹配、热膨胀差异和工艺可扩展性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何改进增材制造以实现在单次构建过程中多种材料的同时沉积？
• RQ2 在AM制造的复合材料中，实现异种材料之间牢固界面结合的关键技术挑战是什么？
• RQ3 与传统制造相比，改进的AM工艺在提升功能性能和减少零件数量方面有哪些优势？
• RQ4 工艺参数如何影响多材料AM部件的机械和热性能？
• RQ5 当前在材料相容性和可扩展性方面存在哪些限制，制约了多材料AM在工业中的广泛应用？

主要发现

• 改进的AM方法能够制造出功能性能更优、装配需求更少的复杂多材料部件。
• 已在单次构建过程中成功实现金属、聚合物和陶瓷等异种材料的集成，显著提升了设计自由度和零件效率。
• 将多个零件整合为单个AM制造的部件，可实现显著减重并提升结构完整性。
• 界面结合质量仍是关键挑战，尤其是在热膨胀和熔融行为差异较大的材料之间连接时。
• 双喷嘴和多材料沉积系统在实现受控材料分布和梯度性能方面展现出巨大潜力。
• 尽管已取得进展，但材料相容性、工艺控制和可扩展性方面的挑战仍限制了多材料AM在工业中的广泛应用。