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)

魔猴君  行業(yè)資訊   1548天前

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 還推出了旨在最大限度提高生產(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(shí)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。據(jù)市場(chǎng)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。

選區(qū)激光燒結(jié)多材料3D打印，來源：哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)院

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(duì)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(huì)發(fā)現(xiàn)打印失敗的情況。

激光束向上照射玻璃板。來源：哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)院

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(tái)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(tái)將玻璃板移動(dòng)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。來源：哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)院

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(gè)單一熱塑性聚氨酯（TPU） 材料的樣件和一個(gè)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(shí)展示了在燒結(jié)時(shí)將鋼板用力壓在玻璃板上從而獲得更為致密材料的能力。

多材料3D打印樣件。來源：哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)院

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。

 Rieview

基于選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)對(duì)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(duì)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(gè)打印區(qū)域，每個(gè)轉(zhuǎn)鼓沉積一種材料，至少使用兩個(gè)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(jià)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(duì)多材料金屬3D打印技術(shù)所有推動(dòng)。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，

來源：3D科學(xué)谷