增材制造或稱3D打印會采用數字化制造工藝,生產既輕又堅固的部件,而且無需采用特殊模具進行生產。在過去十年間,3D打印以每年超20%的增長率快速增長,用金屬和工程聚合物打印出飛機部件、汽車部件、醫(yī)療和牙科植入物等各種部件。其中,選擇性激光燒結(SLS)是最常用的制造工藝之一,可以利用激光將微米大小的材料粉末打印出部件:激光將顆粒加熱至一定的溫度,再熔合成固體。
(圖片來源:哥倫比亞大學)
據外媒報道,美國哥倫比亞大學工程和應用科學學院(Columbia University School of Engineering and Applied Science)創(chuàng)新(機械工程)系James和Sally Scapa教授Hod Lipson表示:“增材制造是經濟恢復的關鍵,但問題是,SLS技術一次只能打印一種材料:整個部件都由一種粉末制成。那么,有多少產品是僅由一種材料制成的呢?這一點限制了該工藝的發(fā)展?!?/p>
為了解決這一挑戰(zhàn),Lipson與其手下的博士生John Whitehead利用在機器人技術方面的專業(yè)知識研發(fā)了一種新方法以克服SLS技術的局限性。通過將激光倒置,讓其指向上方,研究人員研發(fā)了一種方法,讓SLS技術可以同時使用多種材料生產部件。
一般而言,選擇性激光燒結(SLS)技術會采用一個指向下方加熱打印床的激光,將材料顆粒熔合在一起。一個固體打印物就是由下至上打印而成的,打印機上均勻地放一層粉末,并利用激光選擇性地熔合這一層粉末中的一些材料。然后,打印機在第一層上沉積第二層粉末,激光將新材料熔合到前一層的材料上,持續(xù)這一過程直到完成部件。
如果在打印時只采用一種材料,SLS工藝會效果很好。但是在單次打印中采用多種材料極具挑戰(zhàn)性,因為一旦粉末層沉積在打印床上,就不能被移開,或者被另一種粉末取代。
此外,在標準的打印機中,因為每一層放置的材料都是一樣的,未熔合在一起的材料會讓人看不清正在打印的物體,直到打印循環(huán)結束移開完成打印的部件才能看到。這也意味著,在打印完成之前,并不一定能夠發(fā)現打印失敗了,從而會浪費時間和金錢。
(圖片來源:哥倫比亞大學)
研究人員決定找到一種完全不需要粉末打印床的方法。他們設置了多個透明的玻璃板,在每個板上都涂有一層薄薄的不同類型的塑料粉末。然后,將一個打印平臺放在其中一種粉末表面上方,引導一束激光從底面向上穿過底部。該工藝根據虛擬藍圖,可以選擇性地將打印平臺上的一些粉末以預先編程好的模式燒結。然后,該平臺被熔融材料抬高,移到另一個涂有不同粉末的平板上,再重復這一過程。整個工藝可以讓不同的材料要么合并成一層,要么堆疊在一起。與此同時,舊的、用過的平板又不斷被填滿粉末。
研究人員展示了其打印的產品原型,用平均層高43.6微米的熱塑性聚氨酯(TPU)粉末打造了一個50層厚、2.18毫米的樣品,還用平均層高71微米的多材料尼龍和TPU打印出部件。此類部件既證明了該工藝的可行性,也證明了在燒結過程中通過向懸掛部件擠壓平板,可以打造出更堅固、更致密的材料。
現在,研究人員還在利用金屬粉末和樹脂進行實驗,以便直接制成比用SLS系統(tǒng)制成的種類更多的機械、電氣和化學部件。
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