哥伦比亚研究人员开发了一种用于多材料SLS 3D打印的新方法

时间：2020-08-04 09:54 来源：中国3D打印网作者：中国3D打印网阅读：次

       中国3D打印网8月4日讯，哥伦比亚大学工程学院的研究人员展示了一种新颖的选择性激光烧结（SLS）3D打印工艺，该工艺可以在同一打印运行中烧结多种粉末。通过反转SLS 3D打印机内部的激光使其指向上方，并用玻璃板替换其粉末床箱，研究人员能够同时使用多种材料进行打印。该小组的新技术使他们能够制造出在同一层中包含两种不同聚合物的增强型工作原型。随着进一步的发展，该工艺可用于制造多种材料的零件，从嵌入式电路板到机器人组件。
        约翰·怀特海德（John Whitehead）和霍德·利普森（Hod Lipson）共同撰写了这项研究。怀特海德解释了结果，“提示了将来只要按一下按钮就可以制造任何零件，而无需组装就可以从完全成型的打印机中取出从简单工具到更复杂的系统（如机器人）的对象。仅在一种材料上进行印刷的局限就已经激发了该行业并阻碍了它的发展，从而阻止了它发挥其全部潜力。”
多材料SLS生产的局限性
        传统上，激光烧结是通过使用向下定向的激光将粉末床内的微型材料颗粒融合在一起来进行的。多种材料与SLS 3D打印过程兼容，包括用于生产耐用最终用途零件的热塑性塑料和金属。尽管激光烧结的灵活性在航空航天和国防工业中有许多应用，但是该生产方法仍然存在缺陷。例如，为了促进颗粒烧结，SLS工艺要求将整个粉末床加热到接近熔融的温度。这种环境加热会引起化学和物理变化，对材料的可预测性产生负面影响，从而导致未融合的颗粒。
         此外，未烧结粉末可在印刷过程中支撑零件，并且无需专用的支撑结构，由于印刷品被粉饼掩盖，因此监控过程也具有挑战性。因此，如果构建失败且没有进程内监视，则可能仅在过程结束时才发现缺陷。据中国3D打印网了解，在标准打印机中，由于放置的每个连续层都是均匀的，未融合的材料会遮挡待打印对象的视线，直到您在循环结束时取出完成的零件为止。这意味着在打印完成之前不一定会发现打印失败，这会浪费时间和金钱。”
          另外，目前的SLS技术基本上只允许一次烧结一种材料，从而限制了其制造渐变合金和多材料聚合物零件的能力。先前的方法已经使用真空用二级粉末代替了未烧结的材料，但是交叉污染仍然是该方法的问题。

该研究组的ILS 3D打印技术（如图所示）允许在组件的构造中使用一种以上的粉末。图片来自哥伦比亚大学。
倒立激光烧结3D打印
结果，研究人员设计了一种新颖的3D打印技术，他们将其称为倒置激光烧结（ILS）。这种新方法通过将打印机的激光垂直向上引导通过硼硅酸盐玻璃板，将材料的颗粒烧结在一起。

ILS首先将可控制数量的聚合物粉末沉积到玻璃上。然后将基材压在未熔融粉末单层的顶部，因为使用蓝色激光将颗粒材料选择性地融合到其上。一旦完成该过程并且提起了基材，就可以补充材料。然后重复该过程，将新图层不断融合在一起，直到创建3D对象。据中国3D打印网了解，使用多个玻璃板可以使用多种不同的粉末，从而可以生产分级和多种材料的零件。而且，与传统的粉末床方法一样，分别烧结粉末可防止它们混合。尽管在团队测试期间未执行清洁过程，但也可以将其集成到ILS中。通过在多个打印台之间运输打印部件，可以在打印暂停之间清除散粉。

哥伦比亚研究人员生产了一个具有50层（如图所示）的原型零件，该零件的厚度比传统的SLS印刷品更为均匀

哥伦比亚研究人员生产了一个具有50层（如图所示）的原型零件，该零件的厚度比传统的SLS印刷品更为均匀。图片来自哥伦比亚大学。
新的SLS方法的未来应用
        为了测试他们新颖的生产方法，研究团队使用Sinterit白色TPU和Sintratec PA12热塑性材料的混合物制作了一个50层厚，2.18mm的样品。该部件的平均层厚度约为71μm，比使用常规SLS 3D打印所产生的厚度更均匀。而且，其各个层的高度为43.6μm，使结构完全处于普通激光烧结印刷品的标准范围内。
        结果，研究人员得出结论，证明了其工艺的可行性及其制造更坚固，更致密材料的能力。未来，哥伦比亚团队的目标是为ILS设计一种经过改进的打印机设置，具有自动粉末沉积功能和优化的激光参数，并进行多种材料的试验。通过其他研究，该项目的共同研究人员Hod Lipson认为，该方法最终可以应用于生产多种材料的组件。据中国3D打印网了解，这项技术具有印刷嵌入式电路，机电部件甚至机器人部件的潜力。这将使无需组装即可制造复杂的多材料零件，从而将激光烧结扩展到更广泛的行业。换句话说，这可能是使增材制造行业从仅打印无源均匀零件到打印有源集成系统的关键。
推进SLS增材制造
         近年来，许多增材制造公司都采用了自己的方法来优化SLS印刷。这些3D打印机通常与传统的SLS机器相似，因为它们从下至上将粉末逐层融合在一起，但是它们还具有增强的监控功能和材料兼容性。
          3D打印机制造商Aerosint提供了一种当前的选择，他们的多粉SLS打印替代品名为“选择性粉末沉积”。该公司的方法包括粉末分配器和图案化鼓，这些鼓以逐行方式选择性地沉积细粉。该技术可用于制造多金属3D打印零件。
         德国3D打印机OEM EOS建立在数十年的数据基础上，以了解制造室的计量学并开发其获得专利的EOSTATE过程监控套件。该技术使用集成的摄像头在打印过程中拍摄建筑区域的图片，并在形成每一层后识别出不规则之处。使用捕获的图像，可以快速识别不均匀或不完整的图层，从而使用户可以停止该过程并纠正任何问题。
        在其他地方，瑞典初创公司Wematter于去年11月推出了其新的SLS 3D打印机，名为Gravity 2020。该系统支持云计算，可对其内置传感器和电子设备进行监视和过程控制。利用其提供实时视频供稿的集成摄像头，用户可以实时跟踪已打印的层数。

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