哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)院的研究人員展示了一種新穎的選擇性激光燒結(jié)（SLS）3D打印工藝，該工藝可以在同一打印運(yùn)行中燒結(jié)多種粉末。通過(guò)反轉(zhuǎn)SLS 3D打印機(jī)內(nèi)部的激光使其指向上方，并用玻璃板替換其粉末床箱，研究人員能夠同時(shí)使用多種材料進(jìn)行打印。該小組的新技術(shù)使他們能夠制造出在同一層中包含兩種不同聚合物的增強(qiáng)型工作原型。隨著進(jìn)一步的發(fā)展，該工藝可用于制造多種材料的零件，從嵌入式電路板到機(jī)器人組件。

約翰·懷特海德（John Whitehead）和霍德·利普森（Hod Lipson）共同撰寫了這項(xiàng)研究。懷特海德解釋了結(jié)果，“提示了將來(lái)只要按一下按鈕就可以制造任何零件，而無(wú)需組裝就可以從完全成型的打印機(jī)中取出從簡(jiǎn)單工具到更復(fù)雜的系統(tǒng)（如機(jī)器人）的對(duì)象。僅在一種材料上進(jìn)行印刷的局限就已經(jīng)激發(fā)了該行業(yè)并阻礙了它的發(fā)展，從而阻止了它發(fā)揮其全部潛力。”

多材料SLS生產(chǎn)的局限性

傳統(tǒng)上，激光燒結(jié)是通過(guò)使用向下定向的激光將粉末床內(nèi)的微型材料顆粒融合在一起來(lái)進(jìn)行的。多種材料與SLS 3D打印過(guò)程兼容，包括用于生產(chǎn)耐用最終用途零件的熱塑性塑料和金屬。盡管激光燒結(jié)的靈活性在航空航天和國(guó)防工業(yè)中有許多應(yīng)用，但是該生產(chǎn)方法仍然存在缺陷。例如，為了促進(jìn)顆粒燒結(jié)，SLS工藝要求將整個(gè)粉末床加熱到接近熔融的溫度。這種環(huán)境加熱會(huì)引起化學(xué)和物理變化，對(duì)材料的可預(yù)測(cè)性產(chǎn)生負(fù)面影響，從而導(dǎo)致未融合的顆粒。

此外，未燒結(jié)粉末可在印刷過(guò)程中支撐零件，并且無(wú)需專用的支撐結(jié)構(gòu)，由于印刷品被粉餅掩蓋，因此監(jiān)控過(guò)程也具有挑戰(zhàn)性。因此，如果構(gòu)建失敗且沒有進(jìn)程內(nèi)監(jiān)視，則可能僅在過(guò)程結(jié)束時(shí)才發(fā)現(xiàn)缺陷。據(jù)了解，在標(biāo)準(zhǔn)打印機(jī)中，由于放置的每個(gè)連續(xù)層都是均勻的，未融合的材料會(huì)遮擋待打印對(duì)象的視線，直到您在循環(huán)結(jié)束時(shí)取出完成的零件為止。這意味著在打印完成之前不一定會(huì)發(fā)現(xiàn)打印失敗，這會(huì)浪費(fèi)時(shí)間和金錢。”

另外，目前的SLS技術(shù)基本上只允許一次燒結(jié)一種材料，從而限制了其制造漸變合金和多材料聚合物零件的能力。先前的方法已經(jīng)使用真空用二級(jí)粉末代替了未燒結(jié)的材料，但是交叉污染仍然是該方法的問(wèn)題。

該研究組的ILS 3D打印技術(shù)允許在組件的構(gòu)造中使用一種以上的粉末。

倒立激光燒結(jié)3D打印

結(jié)果，研究人員設(shè)計(jì)了一種新穎的3D打印技術(shù)，他們將其稱為倒置激光燒結(jié)（ILS）。這種新方法通過(guò)將打印機(jī)的激光垂直向上引導(dǎo)通過(guò)硼硅酸鹽玻璃板，將材料的顆粒燒結(jié)在一起。

ILS首先將可控制數(shù)量的聚合物粉末沉積到玻璃上。然后將基材壓在未熔融粉末單層的頂部，因?yàn)槭褂盟{(lán)色激光將顆粒材料選擇性地融合到其上。一旦完成該過(guò)程并且提起了基材，就可以補(bǔ)充材料。然后重復(fù)該過(guò)程，將新圖層不斷融合在一起，直到創(chuàng)建3D對(duì)象。據(jù)了解，使用多個(gè)玻璃板可以使用多種不同的粉末，從而可以生產(chǎn)分級(jí)和多種材料的零件。而且，與傳統(tǒng)的粉末床方法一樣，分別燒結(jié)粉末可防止它們混合。盡管在團(tuán)隊(duì)測(cè)試期間未執(zhí)行清潔過(guò)程，但也可以將其集成到ILS中。通過(guò)在多個(gè)打印臺(tái)之間運(yùn)輸打印部件，可以在打印暫停之間清除散粉。

哥倫比亞研究人員生產(chǎn)了一個(gè)具有50層的原型零件，該零件的厚度比傳統(tǒng)的SLS印刷品更為均勻。

新的SLS方法的未來(lái)應(yīng)用

為了測(cè)試他們新穎的生產(chǎn)方法，研究團(tuán)隊(duì)使用Sinterit白色TPU和Sintratec PA12熱塑性材料的混合物制作了一個(gè)50層厚，2.18mm的樣品。該部件的平均層厚度約為71μm，比使用常規(guī)SLS 3D打印所產(chǎn)生的厚度更均勻。而且，其各個(gè)層的高度為43.6μm，使結(jié)構(gòu)完全處于普通激光燒結(jié)印刷品的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

結(jié)果，研究人員得出結(jié)論，證明了其工藝的可行性及其制造更堅(jiān)固，更致密材料的能力。未來(lái)，哥倫比亞團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是為ILS設(shè)計(jì)一種經(jīng)過(guò)改進(jìn)的打印機(jī)設(shè)置，具有自動(dòng)粉末沉積功能和優(yōu)化的激光參數(shù)，并進(jìn)行多種材料的試驗(yàn)。通過(guò)其他研究，該項(xiàng)目的共同研究人員Hod Lipson認(rèn)為，該方法最終可以應(yīng)用于生產(chǎn)多種材料的組件。據(jù)了解，這項(xiàng)技術(shù)具有印刷嵌入式電路，機(jī)電部件甚至機(jī)器人部件的潛力。這將使無(wú)需組裝即可制造復(fù)雜的多材料零件，從而將激光燒結(jié)擴(kuò)展到更廣泛的行業(yè)。換句話說(shuō)，這可能是使增材制造行業(yè)從僅打印無(wú)源均勻零件到打印有源集成系統(tǒng)的關(guān)鍵。

推進(jìn)SLS增材制造

近年來(lái)，許多增材制造公司都采用了自己的方法來(lái)優(yōu)化SLS印刷。這些3D打印機(jī)通常與傳統(tǒng)的SLS機(jī)器相似，因?yàn)樗鼈儚南轮辽蠈⒎勰┲饘尤诤显谝黄穑撬鼈冞€具有增強(qiáng)的監(jiān)控功能和材料兼容性。

3D打印機(jī)制造商Aerosint提供了一種當(dāng)前的選擇，他們的多粉SLS打印替代品名為“選擇性粉末沉積”。該公司的方法包括粉末分配器和圖案化鼓，這些鼓以逐行方式選擇性地沉積細(xì)粉。該技術(shù)可用于制造多金屬3D打印零件。

德國(guó)3D打印機(jī)OEM EOS建立在數(shù)十年的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，以了解制造室的計(jì)量學(xué)并開發(fā)其獲得專利的EOSTATE過(guò)程監(jiān)控套件。該技術(shù)使用集成的攝像頭在打印過(guò)程中拍攝建筑區(qū)域的圖片，并在形成每一層后識(shí)別出不規(guī)則之處。使用捕獲的圖像，可以快速識(shí)別不均勻或不完整的圖層，從而使用戶可以停止該過(guò)程并糾正任何問(wèn)題。

在其他地方，瑞典初創(chuàng)公司W(wǎng)ematter于去年11月推出了其新的SLS 3D打印機(jī)，名為Gravity 2020。該系統(tǒng)支持云計(jì)算，可對(duì)其內(nèi)置傳感器和電子設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和過(guò)程控制。利用其提供實(shí)時(shí)視頻供稿的集成攝像頭，用戶可以實(shí)時(shí)跟蹤已打印的層數(shù)。
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