無需大型粉末床的多材料選區(qū)激光燒結(jié)3D打印技術(shù)

選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）是廣泛使用的增材制造-3D打印技術(shù)之一。近年來，SLS 3D打印技術(shù)在打印精度和速度方面得到了發(fā)展。例如德國 EOS 公司推出了可實(shí)現(xiàn)精密、堅(jiān)固零部件生產(chǎn)的FDR 選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)，通過該技術(shù)制造的零件表面擁有精密細(xì)節(jié)分辨率且最小壁厚僅為 0.22 mm；與 FDR 技術(shù)相比，EOS 還推出了旨在**限度提高生產(chǎn)率的LaserProFusion 選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)，該技術(shù)的曝光速度不受組件的幾何形狀影響，可根據(jù)批量生產(chǎn)的要求靈活調(diào)整，縮短產(chǎn)品開發(fā)時間，在許多應(yīng)用中甚至可以替代注塑成型。

        選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)革新的另一方向是多材料3D打印。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場研究，哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)院近日發(fā)表的最新研究論文“Inverted multi-material laser sintering”研究方向就是基于選區(qū)激光燒結(jié)進(jìn)行多材料3D打印，通過一種反轉(zhuǎn)激光的工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)兩種不同材料的3D打印。今天分享這一技術(shù)的原理與應(yīng)用前景。

無需大型粉末床

        標(biāo)準(zhǔn)選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)的大致工作原理是，激光束在計(jì)算機(jī)控制下向下對零件截面輪廓內(nèi)的粉末進(jìn)行照射加熱至粉末材料接近完全熔化狀態(tài)，隨后冷卻凝固為固體層。接下來，鋪設(shè)下一層粉末并重復(fù)上述過程，一層又一層的粉末被鋪設(shè)和燒結(jié)，直至形成所需的三維實(shí)體零件。

        通過這一打印原理能夠較好的完成單一材料的3D打印，但如果在一次打印中使用多種不同材料則變得非常具有挑戰(zhàn)性，這是由于一旦粉末層被鋪設(shè)在打印床中，就很難被移走或更換為其他材料。此外，根據(jù)哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)院，在標(biāo)準(zhǔn)選區(qū)激光燒結(jié)3D打印機(jī)中，粉末床中其余未融合的材料始終“包圍”著被燒結(jié)的區(qū)域，直到打印完成后將零件取出并清除多余粉末后才能看出，這意味著在打印完成之前不一定會發(fā)現(xiàn)打印失敗的情況。

激光束向上照射玻璃板。

研究團(tuán)隊(duì)采取了一種新的粉末材料燒結(jié)方式，這一方式中不再需要標(biāo)準(zhǔn)選區(qū)激光燒結(jié)設(shè)備中的大型粉末床，取而代之的是由打印平臺將透明玻璃板放置在一層薄薄的塑料粉末材料上，然后激光束從下方照射粉末，將一層粉末燒結(jié)到玻璃板上，接下來如果需要打印另外一種不同的材料，則由打印平臺將玻璃板移動到另外一種薄薄的粉末上，仍由激光束從下方照射，并將不同材料燒結(jié)到上一層材料表面。這一過程重復(fù)進(jìn)行，直至完成零件的打印。

TPU 材料3D打印樣件。

在研究論文中，研究團(tuán)隊(duì)展示了通過以上新型選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)3D打印的樣件，包括一個單一熱塑性聚氨酯（TPU） 材料的樣件和一個由TPU和尼龍（PA）材料構(gòu)成的多材料樣件。TPU 樣件2.18毫米，共分為50層，平均打印層厚43.6微米，多材料樣件平均打印層厚 71微米。這些樣件展示了新型選區(qū)激光燒結(jié)工藝的可行性，同時展示了在燒結(jié)時將鋼板用力壓在玻璃板上從而獲得更為致密材料的能力。

印樣件。

談到該技術(shù)的應(yīng)用前景，研究人員表示該技術(shù)具有制造嵌入式電路、機(jī)電部件甚至是機(jī)器人部件的潛力，可能是將選區(qū)激光燒結(jié)增材制造技術(shù)的應(yīng)用由制造無源器件拓展至制造有源器件的關(guān)鍵。此外，該技術(shù)還可以拓展至梯度合金機(jī)械零件制造領(lǐng)域，例如制造渦輪葉片，其中一種材料用于制造核心部分，另一種材料用于制造表面涂層。研究人員現(xiàn)在正通過該技術(shù)試驗(yàn)金屬粉末材料和塑料粉末材料兩種應(yīng)用，旨在將選區(qū)激光燒結(jié)工藝應(yīng)用到更廣泛的機(jī)械、電氣、化學(xué)性能零部件制造領(lǐng)域。

    基于選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)對多材料3D打印的探索并非首次出現(xiàn)，歐洲創(chuàng)業(yè)企業(yè)Aerosint 也開發(fā)了對兩種不同材料進(jìn)行選區(qū)激光燒結(jié)的工藝，但其原理與哥倫比亞工程學(xué)院采用的方式不同。Aerosint 采用的是一種稱之為“選擇性粉末沉積”的技術(shù)，該技術(shù)也改變了標(biāo)準(zhǔn)選區(qū)激光燒結(jié)中的鋪粉工藝，改為通過可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓沉積粉末材料，在打印過程中，轉(zhuǎn)鼓穿過整個打印區(qū)域，每個轉(zhuǎn)鼓沉積一種材料，至少使用兩個轉(zhuǎn)鼓來實(shí)現(xiàn)多材料沉積。在兩種不同材料中，其中一種廉價粉末被用作支撐材料。

       與哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)將粉末床多材料3D打印技術(shù)向金屬多材料領(lǐng)域拓展一樣，Aerosint 也將這類似的技術(shù)應(yīng)用到了選區(qū)激光熔化金屬3D打印設(shè)備中，旨在實(shí)現(xiàn)雙金屬混合3D打印，在今年年初，Aerosint 公布了采用多金屬粉末材料沉積技術(shù)打印的雙金屬零件，該零件由316L不銹鋼和銅鉻鋯（CuCrZr）混合嵌套。歐盟地平線2020創(chuàng)新計(jì)劃中也對多材料金屬3D打印技術(shù)所有推動。由該技術(shù)資助的MULTI-FUN項(xiàng)目成員希望能夠3D打印許多以前不可能制造的產(chǎn)品，3D科學(xué)谷了解到包括具有高導(dǎo)熱性的多材料熱交換器與散熱器，帶有嵌入式電子設(shè)備的復(fù)雜金屬零件。