引言
2026年6月，专注于安全关键结构件WAAM（线弧增材制造）技术的DEEP Manufacturing公司与总部位于科罗拉多的金属丝材供应商Fortius Metals联合宣布，双方在多材料WAAM技术领域取得重大突破，成功制造出一个大型复杂多材料金属圆柱体。这一成果标志着WAAM技术从单一材料打印向多材料梯度功能制造的跨越式进步。传统制造业在制造需要同时满足不同部位性能要求的零件时，通常采用焊接或机械连接将不同材料组合在一起，这些方法不仅增加了制造环节、提升了成本，还可能在材料连接处产生应力集中和腐蚀风险。DEEP Manufacturing和Fortius Metals的合作成果证明，通过WAAM技术可以在一个连续的制造过程中实现不同金属材料的无缝过渡和梯度切换，为航空航天、国防和能源领域的大型关键结构件制造提供了一种全新的解决方案。
多材料WAAM的技术原理与突破
WAAM技术本质上是以电弧为热源、以金属丝材为填充材料的定向能量沉积（DED）工艺，其最大优势在于可以制造大型零件（尺寸可达数米）且材料利用率高、沉积效率高。多材料WAAM则是在此基础上进一步升级，通过在打印过程中切换不同的金属丝材，在同一个零件上实现不同部位的差异化材料成分。DEEP Manufacturing和Fortius Metals此次实现的技术突破体现在三个层面。第一是丝材切换系统的精确控制，研发团队开发了一套自动化丝材送进系统，能够在不中断打印的情况下快速切换不同材料成分的丝材，过渡区的材料混合宽度被控制在毫米级范围内。第二是工艺参数的自适应调整，不同材料的热导率、熔点和热膨胀系数差异很大，需要在切换材料时同步调整电弧功率、送丝速度和行走速度等工艺参数，团队通过建立材料-工艺参数数据库和实时监控系统实现了这一目标。第三是界面结合质量的保证，多材料零件的界面结合强度是决定零件完整性的关键，团队通过优化热输入和层间温度控制策略，使异种材料的冶金结合强度达到了母材强度的90%以上。
多材料零件的设计优势与应用场景
多材料WAAM技术带来的最大设计优势是功能梯度化。在许多工程应用中，零件的不同部位面临着截然不同的工况要求。例如，一个用于航空航天领域的支架，其连接端可能需要高强度和优异的疲劳性能，而中间部位则可能更看重轻量化和减振性能，另一端的接触面又需要高硬度和耐磨性。在传统制造中，设计师必须选择一个折中的材料方案或通过组合件来解决这一矛盾，但多材料WAAM技术允许设计师自由地优化每个部位的材料选择，将不同金属材料的性能优势在同一个零件上集大成。具体的材料组合示例包括：不锈钢与镍基高温合金组合，可以在一个零件上同时获得耐腐蚀性和耐高温性；低合金钢与工具钢的组合，可以实现零件内部的高韧性与表面的高硬度兼得；钛合金与铝合金的组合，可以实现极致的轻量化和强度平衡。这些多材料组合在航空航天发动机零件、能源化工压力容器、船舶螺旋桨和装甲防护板等领域具有广阔的应用前景。
WAAM技术的规模化生产前景
DEEP Manufacturing与Fortius Metals此次的突破不仅在于技术验证的成功，更在于展示了多材料WAAM向规模化生产的可扩展性。WAAM技术本身就是增材制造中沉积效率最高的工艺之一，金属沉积率可达每小时数公斤到十数公斤，远高于LPBF粉末床技术的每小时数十到数百克。在大型零件的制造上，WAAM具有天然的成本优势。据DEEP Manufacturing介绍，本次展示的多材料金属圆柱体在制造时间和材料成本上相比传统锻造成型加工艺降低了40%以上。随着多材料切换技术的成熟和自动化水平的提高，多材料WAAM有望在三年内进入批量化生产阶段。在规模化生产中，机器人化的WAAM单元可以7x24小时连续运行，配合在线监控和闭环控制系统，产品质量的一致性和可追溯性接近传统锻件的水平。Fortius Metals作为专业的金属丝材供应商，也在持续开发适用于WAAM工艺的新材料，包括高强铝合金、镍基高温合金和难熔金属等，为多材料WAAM提供更丰富的材料选择。
面临的挑战与产业化路径
尽管多材料WAAM技术取得了令人瞩目的突破，但从实验室走向产业化应用仍面临一系列挑战。技术层面的首要挑战是残余应力和变形控制。多材料打印中不同材料的热物理性能差异会在界面附近产生显著的残余应力，可能导致零件变形甚至开裂。目前研究团队正在通过数值模拟和实验验证相结合的方法，建立多材料WAAM的热应力预测模型和变形补偿策略。第二个挑战是无损检测标准的建立，多材料零件的界面质量检测比单一材料零件复杂得多，传统超声检测和X射线检测技术在异种材料界面处的适用性需要重新验证和标定。经济性方面，多材料WAAM的丝材切换系统增加了设备复杂度和初始投资，对于小批量多品种的生产模式而言，是否需要配备多材料功能需要基于具体应用场景的投入产出分析。尽管如此，DEEP Manufacturing与Fortius Metals的合作成果已经为多材料WAAM的商业化铺平了道路，预计首批量产应用将在2027年至2028年间出现在航空航天和能源领域。
总结
DEEP Manufacturing与Fortius Metals在多材料WAAM领域取得重大突破，成功实现大型金属零件的梯度功能制造。这一技术将不同金属材料的性能优势融合于单一零件，在航空航天、国防和能源领域具有广泛应用前景，标志着大规模金属增材制造从单材料向多材料时代迈出了坚实的一步。
来源：3D Printing Industry