導讀
據美國哥倫比亞大學工程學院官網近日報導，該校研究人員發明了一項新技術，有望改變增材製造工藝，列印電路板、機電元件甚至可能是機器人。
背景
增材製造或者3D列印，採用數字製造工藝來製造輕量、堅固、無需特殊工具生產的部件。過去十年來，這一領域經歷了強勁的增長，每年以超過20%的速度增長，以金屬和工程聚合物來列印從飛機和汽車部件到醫療和牙科植入物的一系列部件。最廣泛使用的製造工藝之一：選擇性雷射燒結（SLS），利用雷射通過微米級的材料粉末列印部件。雷射加熱粒子使其融合到一起形成固體物質。
美國哥倫比亞大學工程學院材料工程系教授霍德·利普森（Hod Lipson）表示：「增材製造對於經濟韌性來說很關鍵。我們都很關心這項技術，它將拯救我們，但這裡卻有一個陷阱。」
這個陷阱就是SLS技術一次只能用一種材料列印。整個部件必須僅由一種粉末製成。利普森繼續說道：「現在，讓我來問你，有多少產品僅由一種材料製成？僅由一種材料列印的局限性，一直困擾著行業，阻礙其發展以及發揮全部潛力。」
創新
為了克服這一挑戰，利普森及其博士研究生約翰·懷特海德（John Whitehead）利用他們在機器人技術方面的專長，開發了一個新方案來突破這些SLS限制。通過將雷射反轉使其指向上方，他們發明了一個方法來使SLS同時使用多種材料。他們的工作原型機，伴隨著一個在同一層中含有兩種不同材料的列印樣品，最近作為《增材製造（Additive Manufacturing）》2020年12月刊的一部分在線發表在該雜誌上。
論文的第一作者懷特海德表示：「我們的初始成果令人振奮，因為這些成果暗示著未來按一下按鈕就可以製造任意部件，從簡單的工具到複雜的服務系統例如機器人的一系列物體，都可以通過印表機完全成形地列印出來，無需組裝。」
技術
傳統上意義上說，選擇性雷射燒結採用向下指向加熱列印床的雷射，將材料的顆粒熔合在一起。固態物體自下而上構造，印表機鋪上一層均勻的粉末，並採用雷射選擇性地在層中熔合一些材料。然後，印表機將第二層的粉末沉積到第一層上，雷射將新材料與前一層中的材料熔合到一起，這個過程一遍又一遍地重複，直到部件完成。
如果在列印過程中僅用了一種材料，這項工藝會工作得很好。但是一次列印中使用多種材料一直都是極具挑戰性的，因為一旦粉末層沉積到床上，就不能取消放置，或者用不同的粉末替代。
多層單材料列印樣品（圖片來源：哥倫比亞大學工程學院）
懷特海德補充道：「此外，在標準印表機中，因為由於連續放置下來的每一層都是相同類型的，未熔合的材料使你無法看到正在列印的物體，直到你在循環結束時移開完成的部件。想想挖掘的過程，直到完全將化石從周圍的泥土中取出時，你才能確定化石完好無損。這意味著，在列印完成之前，不一定會發現列印失敗，這樣就會浪費時間和金錢。」
研究人員決定尋找一個方法來完全消除對粉末床的需要。他們設置了多塊透明玻璃板，每一塊板塗有一薄層不同的塑料粉末。他們將列印平臺降低到某一種粉末的上表面之上，並且從板下將雷射束引導上來，通過板的底部。這項工藝，根據虛擬藍圖，以預編程的圖案，將某些粉末選擇性地燒結到列印平臺上。然後，平臺通過熔合的材料來升高，並轉移至塗有不同粉末的另一塊板子，然後反覆這一過程。這樣使得多種材料要麼被融合到單層中，要麼層疊。同時，用完的老闆子被重新裝填。
通過玻璃向上傳輸的雷射束。（圖片來源：哥倫比亞大學工程學院）
論文中，該團隊通過用平均層高為43.6微米的熱塑性聚氨酯（TPU）粉末生成50層厚、2.18毫米的樣品，以及平均層高為71微米的多材料尼龍和TPU列印件，展示了他們的工作原型。這些部件既證明了這項工藝的可行性，也證明了燒結時將板用力壓在懸掛的部件上，能製造出更結實、更濃密的材料。
雙熱塑性SLS列印樣品（圖片來源：哥倫比亞大學工程學院）
價值
利普森表示：「這項技術有望用於列印嵌入式電路、機電元件甚至機器人組件。它能採用梯度合金來製造機器部件，這些合金的材料成分從一端到一端逐漸變化，就像渦輪葉片，一種材料用於核心，另一種材料用於表面塗層。我們認為，這將啟動無需組裝的複雜多材料部件製造，讓雷射燒結拓展到更廣泛的行業。換句話說，這項技術將成為增材製造行業從只列印被動式均勻部件向列印主動集成系統轉變的關鍵。」
研究人員正在對金屬粉末和樹脂進行實驗，從而直接生成比目前傳統的SLS系統具有更廣泛機械、電氣以及化學特性的部件。
關鍵詞
雷射、增材製造、工藝
參考資料
【1】John Whitehead, Hod Lipson. Inverted multi-material laser sintering. Additive Manufacturing, 2020; 36: 101440 DOI: 10.1016/j.addma.2020.101440