導讀

據美國哥倫比亞大學工程學院官網近日報道，該校研究人員發(fā)明了一項新技術，有望改變增材制造工藝，打印電路板、機電元件甚至可能是機器人。

背景

增材制造或者3D打印，采用數字制造工藝來制造輕量、堅固、無需特殊工具生產的部件。過去十年來，這一領域經歷了強勁的增長，每年以超過20%的速度增長，以金屬和工程聚合物來打印從飛機和汽車部件到醫(yī)療和牙科植入物的一系列部件。最廣泛使用的制造工藝之一：選擇性激光燒結（SLS），利用激光通過微米級的材料粉末打印部件。激光加熱粒子使其融合到一起形成固體物質。

美國哥倫比亞大學工程學院材料工程系教授霍德·利普森（Hod Lipson）表示：“增材制造對于經濟韌性來說很關鍵。我們都很關心這項技術，它將拯救我們，但這里卻有一個陷阱?！?br/>

這個陷阱就是SLS技術一次只能用一種材料打印。整個部件必須僅由一種粉末制成。利普森繼續(xù)說道：“現在，讓我來問你，有多少產品僅由一種材料制成？僅由一種材料打印的局限性，一直困擾著行業(yè)，阻礙其發(fā)展以及發(fā)揮全部潛力?！?br/>

創(chuàng)新

為了克服這一挑戰(zhàn)，利普森及其博士研究生約翰·懷特海德（John Whitehead）利用他們在機器人技術方面的專長，開發(fā)了一個新方案來突破這些SLS限制。通過將激光反轉使其指向上方，他們發(fā)明了一個方法來使SLS同時使用多種材料。他們的工作原型機，伴隨著一個在同一層中含有兩種不同材料的打印樣品，最近作為《增材制造（Additive Manufacturing）》2020年12月刊的一部分在線發(fā)表在該雜志上。

論文的第一作者懷特海德表示：“我們的初始成果令人振奮，因為這些成果暗示著未來按一下按鈕就可以制造任意部件，從簡單的工具到復雜的服務系統例如機器人的一系列物體，都可以通過打印機完全成形地打印出來，無需組裝?！?br/>

技術

傳統上意義上說，選擇性激光燒結采用向下指向加熱打印床的激光，將材料的顆粒熔合在一起。固態(tài)物體自下而上構造，打印機鋪上一層均勻的粉末，并采用激光選擇性地在層中熔合一些材料。然后，打印機將第二層的粉末沉積到第一層上，激光將新材料與前一層中的材料熔合到一起，這個過程一遍又一遍地重復，直到部件完成。

如果在打印過程中僅用了一種材料，這項工藝會工作得很好。但是一次打印中使用多種材料一直都是極具挑戰(zhàn)性的，因為一旦粉末層沉積到床上，就不能取消放置，或者用不同的粉末替代。

多層單材料打印樣品（圖片來源：哥倫比亞大學工程學院）

懷特海德補充道：“此外，在標準打印機中，因為由于連續(xù)放置下來的每一層都是相同類型的，未熔合的材料使你無法看到正在打印的物體，直到你在循環(huán)結束時移開完成的部件。想想挖掘的過程，直到完全將化石從周圍的泥土中取出時，你才能確定化石完好無損。這意味著，在打印完成之前，不一定會發(fā)現打印失敗，這樣就會浪費時間和金錢?！?br/>

研究人員決定尋找一個方法來完全消除對粉末床的需要。他們設置了多塊透明玻璃板，每一塊板涂有一薄層不同的塑料粉末。他們將打印平臺降低到某一種粉末的上表面之上，并且從板下將激光束引導上來，通過板的底部。這項工藝，根據虛擬藍圖，以預編程的圖案，將某些粉末選擇性地燒結到打印平臺上。然后，平臺通過熔合的材料來升高，并轉移至涂有不同粉末的另一塊板子，然后反復這一過程。這樣使得多種材料要么被融合到單層中，要么層疊。同時，用完的老板子被重新裝填。

通過玻璃向上傳輸的激光束。（圖片來源：哥倫比亞大學工程學院）

論文中，該團隊通過用平均層高為43.6微米的熱塑性聚氨酯（TPU）粉末生成50層厚、2.18毫米的樣品，以及平均層高為71微米的多材料尼龍和TPU打印件，展示了他們的工作原型。這些部件既證明了這項工藝的可行性，也證明了燒結時將板用力壓在懸掛的部件上，能制造出更結實、更濃密的材料。

雙熱塑性SLS打印樣品（圖片來源：哥倫比亞大學工程學院）

價值

利普森表示：“這項技術有望用于打印嵌入式電路、機電元件甚至機器人組件。它能采用梯度合金來制造機器部件，這些合金的材料成分從一端到一端逐漸變化，就像渦輪葉片，一種材料用于核心，另一種材料用于表面涂層。我們認為，這將啟動無需組裝的復雜多材料部件制造，讓激光燒結拓展到更廣泛的行業(yè)。換句話說，這項技術將成為增材制造行業(yè)從只打印被動式均勻部件向打印主動集成系統轉變的關鍵?！?br/>

研究人員正在對金屬粉末和樹脂進行實驗，從而直接生成比目前傳統的SLS系統具有更廣泛機械、電氣以及化學特性的部件。

關鍵詞

激光、增材制造、工藝

參考資料

【1】John Whitehead, Hod Lipson. Inverted multi-material laser sintering. Additive Manufacturing, 2020; 36: 101440 DOI: 10.1016/j.addma.2020.101440
【2】https://www.engineering.columbia.edu/press-releases/lipson-whitehead-3d-printing