导读

据美国哥伦比亚大学工程学院官网近日报道，该校研究人员发明了一项新技术，有望改变增材制造工艺，打印电路板、机电元件甚至可能是机器人。

背景

增材制造或者3D打印，采用数字制造工艺来制造轻量、坚固、无需特殊工具生产的部件。过去十年来，这一领域经历了强劲的增长，每年以超过20%的速度增长，以金属和工程聚合物来打印从飞机和汽车部件到医疗和牙科植入物的一系列部件。最广泛使用的制造工艺之一：选择性激光烧结（SLS），利用激光通过微米级的材料粉末打印部件。激光加热粒子使其融合到一起形成固体物质。

美国哥伦比亚大学工程学院材料工程系教授霍德·利普森（Hod Lipson）表示：“增材制造对于经济韧性来说很关键。我们都很关心这项技术，它将拯救我们，但这里却有一个陷阱。”

这个陷阱就是SLS技术一次只能用一种材料打印。整个部件必须仅由一种粉末制成。利普森继续说道：“现在，让我来问你，有多少产品仅由一种材料制成？仅由一种材料打印的局限性，一直困扰着行业，阻碍其发展以及发挥全部潜力。”

创新

为了克服这一挑战，利普森及其博士研究生约翰·怀特海德（John Whitehead）利用他们在机器人技术方面的专长，开发了一个新方案来突破这些SLS限制。通过将激光反转使其指向上方，他们发明了一个方法来使SLS同时使用多种材料。他们的工作原型机，伴随着一个在同一层中含有两种不同材料的打印样品，最近作为《增材制造（Additive Manufacturing）》2020年12月刊的一部分在线发表在该杂志上。

论文的第一作者怀特海德表示：“我们的初始成果令人振奋，因为这些成果暗示着未来按一下按钮就可以制造任意部件，从简单的工具到复杂的服务系统例如机器人的一系列物体，都可以通过打印机完全成形地打印出来，无需组装。”

技术

传统上意义上说，选择性激光烧结采用向下指向加热打印床的激光，将材料的颗粒熔合在一起。固态物体自下而上构造，打印机铺上一层均匀的粉末，并采用激光选择性地在层中熔合一些材料。然后，打印机将第二层的粉末沉积到第一层上，激光将新材料与前一层中的材料熔合到一起，这个过程一遍又一遍地重复，直到部件完成。

如果在打印过程中仅用了一种材料，这项工艺会工作得很好。但是一次打印中使用多种材料一直都是极具挑战性的，因为一旦粉末层沉积到床上，就不能取消放置，或者用不同的粉末替代。

多层单材料打印样品（图片来源：哥伦比亚大学工程学院）

怀特海德补充道：“此外，在标准打印机中，因为由于连续放置下来的每一层都是相同类型的，未熔合的材料使你无法看到正在打印的物体，直到你在循环结束时移开完成的部件。想想挖掘的过程，直到完全将化石从周围的泥土中取出时，你才能确定化石完好无损。这意味着，在打印完成之前，不一定会发现打印失败，这样就会浪费时间和金钱。”

研究人员决定寻找一个方法来完全消除对粉末床的需要。他们设置了多块透明玻璃板，每一块板涂有一薄层不同的塑料粉末。他们将打印平台降低到某一种粉末的上表面之上，并且从板下将激光束引导上来，通过板的底部。这项工艺，根据虚拟蓝图，以预编程的图案，将某些粉末选择性地烧结到打印平台上。然后，平台通过熔合的材料来升高，并转移至涂有不同粉末的另一块板子，然后反复这一过程。这样使得多种材料要么被融合到单层中，要么层叠。同时，用完的老板子被重新装填。

通过玻璃向上传输的激光束。（图片来源：哥伦比亚大学工程学院）

论文中，该团队通过用平均层高为43.6微米的热塑性聚氨酯（TPU）粉末生成50层厚、2.18毫米的样品，以及平均层高为71微米的多材料尼龙和TPU打印件，展示了他们的工作原型。这些部件既证明了这项工艺的可行性，也证明了烧结时将板用力压在悬挂的部件上，能制造出更结实、更浓密的材料。

双热塑性SLS打印样品（图片来源：哥伦比亚大学工程学院）

价值

利普森表示：“这项技术有望用于打印嵌入式电路、机电元件甚至机器人组件。它能采用梯度合金来制造机器部件，这些合金的材料成分从一端到一端逐渐变化，就像涡轮叶片，一种材料用于核心，另一种材料用于表面涂层。我们认为，这将启动无需组装的复杂多材料部件制造，让激光烧结拓展到更广泛的行业。换句话说，这项技术将成为增材制造行业从只打印被动式均匀部件向打印主动集成系统转变的关键。”

研究人员正在对金属粉末和树脂进行实验，从而直接生成比目前传统的SLS系统具有更广泛机械、电气以及化学特性的部件。

关键词

激光、增材制造、工艺

参考资料

【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