新技术：激光反转可实现多材料SLS 3D打印

aau讯（编辑 凌琦韵）所谓增材制造(Additivemanufacturing)或3D打印(3Dprinting)，即使用数字制造工艺制造出重量轻、强度高、不需要特殊工具生产的部件。在过去的十年里，这个领域以每年超过20%的速度经历了惊人的增长，用金属和工程聚合物打印从飞机、汽车到医疗、牙科植入物等各种部件。选择性激光烧结(SLS)是应用最广泛的制造工艺之一，它使用激光将微米级材料粉末进行打印：激光将颗粒加热到它们融合在一起以形成固体的零部件。

“增材制造是经济弹性的关键，”创新(机械工程)教授Hod Lipson、James 和 Sally Scapa说。“我们都关心这项技术—它将拯救我们。但这里有个问题需要解决。”

“即SLS技术一次只能打印一种材料:整个部件只能由一种粉末制成。”Lipson继续说，“有多少产品是由一种材料制成的？仅用一种材料打印的局限性一直困扰着这个行业，阻碍了它的扩张，阻碍了它充分发挥潜力。”

那么，如何解决这个挑战？Lipson和他的博士生John Whitehead利用他们在机器人技术方面的专业知识开发了一种新的方法来克服这些SLS的限制。他们发明了一种方法，通过将激光倒置，使其指向上方，使SLS能够同时使用多种材料。他们的工作原型以及在同一层包含两种不同材料的打印样品都将由Additive Manufacturing于最近在线发布，作为其2020年12月版的一部分。

“我们的初步结果令人兴奋，”该项研究的第一作者Whitehead说，“因为它们预示着，在未来只要按一下按钮，任何部件都可以制造出来，从简单的工具到像机器人这样更复杂的系统，都可以从打印机中完全成形，而不需要组装。”

传统的激光烧结方法是用激光向下指向热打印床，将材料颗粒粘合在一起。一个固体物体是由下而上构建的，打印机放上一层均匀的粉末，用激光选择性地融合这一层中的一些材料。然后打印机在第一层上沉积第二层粉末，激光将新材料熔合到前一层的材料上，这一过程不断重复，直到零件完成。

如果在打印过程中只使用一种材料，这种工艺就可以很好地工作。但是在一次打印中使用多种材料是非常具有挑战性的，因为一旦粉末层沉积在床上，它就不能被移开，或被另一种粉末取代。

此外，Whitehead补充道，“在标准的打印机中，因为每一层下面的连续层都是均匀的，未熔透的材料会使你看不见被打印的物体，直到你在循环结束时把完成的部分去掉。关于取出的问题，以及在你完全把零部件从周围的粉末中移走之前，你无法确定它是否完好无损。这意味着在打印完成之前，打印失败并不一定会被发现，这会导致时间和金钱的浪费。”

研究人员决定找到一种完全不需要粉底床的方法。他们设置了多个透明的玻璃板，每个板上都涂有一层薄薄的不同的塑料粉末。他们将一个打印平台放在其中一种粉末的上表面，然后引导一束激光从底片下面向上穿过底片的底部。这个过程根据一个虚拟蓝图，有选择地将一些粉末以预先编程的模式烧结到打印平台上。然后平台被熔融材料抬高，移动到另一个镀有不同粉末的平板上，在那里重复这个过程。这使得多种材料可以合并成一层，也可以堆叠在一起。与此同时,旧的、用过的板块得到了补充。

在论文中，该团队展示了他们的工作原型，用平均层高43.6微米的热塑性聚氨酯(TPU)粉末制作了一个50层厚2.18毫米的样品，用平均层高71微米的多材料尼龙和TPU打印。这些部件既证明了该工艺的可行性，也证明了在烧结过程中通过向悬挂部分硬压板，可以制造出更强、更致密的零部件。

“这项技术有潜力打印嵌入式电路、机电组件，甚至机器人组件。它可以用梯度合金制造机器零件，其材料成分会从一端到另一端逐渐变化，比如涡轮叶片用一种材料做核心，而用不同的材料做表面涂层，”Lipson指出。“我们认为，这将使激光烧结在不需要组装的情况下制造复杂的多材料部件，从而将激光烧结扩展到更广泛的行业。换句话说，这可能是将增材制造业从只打印被动统一部件转向打印主动集成系统的关键。”

研究人员目前正在用金属粉末和树脂进行实验，以便直接生成具有比目前传统SLS系统更广泛的机械、电气和化学性能的部件。