哥倫比亞大學工程學院的研究人員展示了一種新穎的選擇性激光燒結(jié)（SLS）3D打印工藝，該工藝可以在同一打印運行中燒結(jié)多種粉末。通過反轉(zhuǎn)SLS 3D打印機內(nèi)部的激光使其指向上方，并用玻璃板替換其粉末床箱，研究人員能夠同時使用多種材料進行打印。該小組的新技術(shù)使他們能夠制造出在同一層中包含兩種不同聚合物的增強型工作原型。隨著進一步的發(fā)展，該工藝可用于制造多種材料的零件，從嵌入式電路板到機器人組件。

約翰·懷特海德（John Whitehead）和霍德·利普森（Hod Lipson）共同撰寫了這項研究。懷特海德解釋了結(jié)果，“提示了將來只要按一下按鈕就可以制造任何零件，而無需組裝就可以從完全成型的打印機中取出從簡單工具到更復雜的系統(tǒng)（如機器人）的對象。僅在一種材料上進行印刷的局限就已經(jīng)激發(fā)了該行業(yè)并阻礙了它的發(fā)展，從而阻止了它發(fā)揮其全部潛力。”

多材料SLS生產(chǎn)的局限性

傳統(tǒng)上，激光燒結(jié)是通過使用向下定向的激光將粉末床內(nèi)的微型材料顆粒融合在一起來進行的。多種材料與SLS 3D打印過程兼容，包括用于生產(chǎn)耐用最終用途零件的熱塑性塑料和金屬。盡管激光燒結(jié)的靈活性在航空航天和國防工業(yè)中有許多應(yīng)用，但是該生產(chǎn)方法仍然存在缺陷。例如，為了促進顆粒燒結(jié)，SLS工藝要求將整個粉末床加熱到接近熔融的溫度。這種環(huán)境加熱會引起化學和物理變化，對材料的可預測性產(chǎn)生負面影響，從而導致未融合的顆粒。

此外，未燒結(jié)粉末可在印刷過程中支撐零件，并且無需專用的支撐結(jié)構(gòu)，由于印刷品被粉餅掩蓋，因此監(jiān)控過程也具有挑戰(zhàn)性。因此，如果構(gòu)建失敗且沒有進程內(nèi)監(jiān)視，則可能僅在過程結(jié)束時才發(fā)現(xiàn)缺陷。據(jù)了解，在標準打印機中，由于放置的每個連續(xù)層都是均勻的，未融合的材料會遮擋待打印對象的視線，直到您在循環(huán)結(jié)束時取出完成的零件為止。這意味著在打印完成之前不一定會發(fā)現(xiàn)打印失敗，這會浪費時間和金錢。”

另外，目前的SLS技術(shù)基本上只允許一次燒結(jié)一種材料，從而限制了其制造漸變合金和多材料聚合物零件的能力。先前的方法已經(jīng)使用真空用二級粉末代替了未燒結(jié)的材料，但是交叉污染仍然是該方法的問題。

該研究組的ILS 3D打印技術(shù)允許在組件的構(gòu)造中使用一種以上的粉末。

倒立激光燒結(jié)3D打印

結(jié)果，研究人員設(shè)計了一種新穎的3D打印技術(shù)，他們將其稱為倒置激光燒結(jié)（ILS）。這種新方法通過將打印機的激光垂直向上引導通過硼硅酸鹽玻璃板，將材料的顆粒燒結(jié)在一起。

ILS首先將可控制數(shù)量的聚合物粉末沉積到玻璃上。然后將基材壓在未熔融粉末單層的頂部，因為使用藍色激光將顆粒材料選擇性地融合到其上。一旦完成該過程并且提起了基材，就可以補充材料。然后重復該過程，將新圖層不斷融合在一起，直到創(chuàng)建3D對象。據(jù)了解，使用多個玻璃板可以使用多種不同的粉末，從而可以生產(chǎn)分級和多種材料的零件。而且，與傳統(tǒng)的粉末床方法一樣，分別燒結(jié)粉末可防止它們混合。盡管在團隊測試期間未執(zhí)行清潔過程，但也可以將其集成到ILS中。通過在多個打印臺之間運輸打印部件，可以在打印暫停之間清除散粉。

哥倫比亞研究人員生產(chǎn)了一個具有50層的原型零件，該零件的厚度比傳統(tǒng)的SLS印刷品更為均勻。

新的SLS方法的未來應(yīng)用

為了測試他們新穎的生產(chǎn)方法，研究團隊使用Sinterit白色TPU和Sintratec PA12熱塑性材料的混合物制作了一個50層厚，2.18mm的樣品。該部件的平均層厚度約為71μm，比使用常規(guī)SLS 3D打印所產(chǎn)生的厚度更均勻。而且，其各個層的高度為43.6μm，使結(jié)構(gòu)完全處于普通激光燒結(jié)印刷品的標準范圍內(nèi)。

結(jié)果，研究人員得出結(jié)論，證明了其工藝的可行性及其制造更堅固，更致密材料的能力。未來，哥倫比亞團隊的目標是為ILS設(shè)計一種經(jīng)過改進的打印機設(shè)置，具有自動粉末沉積功能和優(yōu)化的激光參數(shù)，并進行多種材料的試驗。通過其他研究，該項目的共同研究人員Hod Lipson認為，該方法最終可以應(yīng)用于生產(chǎn)多種材料的組件。據(jù)了解，這項技術(shù)具有印刷嵌入式電路，機電部件甚至機器人部件的潛力。這將使無需組裝即可制造復雜的多材料零件，從而將激光燒結(jié)擴展到更廣泛的行業(yè)。換句話說，這可能是使增材制造行業(yè)從僅打印無源均勻零件到打印有源集成系統(tǒng)的關(guān)鍵。

推進SLS增材制造

近年來，許多增材制造公司都采用了自己的方法來優(yōu)化SLS印刷。這些3D打印機通常與傳統(tǒng)的SLS機器相似，因為它們從下至上將粉末逐層融合在一起，但是它們還具有增強的監(jiān)控功能和材料兼容性。

3D打印機制造商Aerosint提供了一種當前的選擇，他們的多粉SLS打印替代品名為“選擇性粉末沉積”。該公司的方法包括粉末分配器和圖案化鼓，這些鼓以逐行方式選擇性地沉積細粉。該技術(shù)可用于制造多金屬3D打印零件。

德國3D打印機OEM EOS建立在數(shù)十年的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，以了解制造室的計量學并開發(fā)其獲得專利的EOSTATE過程監(jiān)控套件。該技術(shù)使用集成的攝像頭在打印過程中拍攝建筑區(qū)域的圖片，并在形成每一層后識別出不規(guī)則之處。使用捕獲的圖像，可以快速識別不均勻或不完整的圖層，從而使用戶可以停止該過程并糾正任何問題。

在其他地方，瑞典初創(chuàng)公司W(wǎng)ematter于去年11月推出了其新的SLS 3D打印機，名為Gravity 2020。該系統(tǒng)支持云計算，可對其內(nèi)置傳感器和電子設(shè)備進行監(jiān)視和過程控制。利用其提供實時視頻供稿的集成攝像頭，用戶可以實時跟蹤已打印的層數(shù)。
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