無需大型粉末床的多材料選區雷射燒結3D列印技術

2020-12-05 3DScienceValley

選區雷射燒結（SLS）是廣泛使用的增材製造-3D列印技術之一。近年來，SLS 3D列印技術在列印精度和速度方面得到了發展。例如德國 EOS 公司推出了可實現精密、堅固零部件生產的FDR 選區雷射燒結技術，通過該技術製造的零件表面擁有精密細節解析度且最小壁厚僅為 0.22 mm；與 FDR 技術相比，EOS還推出了旨在最大限度提高生產率的LaserProFusion 選區雷射燒結技術，該技術的曝光速度不受組件的幾何形狀影響，可根據批量生產的要求靈活調整，縮短產品開發時間，在許多應用中甚至可以替代注塑成型。

選區雷射燒結技術革新的另一方向是多材料3D列印。根據3D科學谷的市場研究，哥倫比亞大學工程學院近日發表的最新研究論文「Inverted multi-material laser sintering」研究方向就是基於選區雷射燒結進行多材料3D列印，通過一種反轉雷射的工藝，能夠實現兩種不同材料的3D列印。本期，3D科學谷將分享這一技術的原理與應用前景。

選區雷射燒結多材料3D列印，來源：哥倫比亞大學工程學院

無需大型粉末床

標準選區雷射燒結技術的大致工作原理是，雷射束在計算機控制下向下對零件截面輪廓內的粉末進行照射加熱至粉末材料接近完全熔化狀態，隨後冷卻凝固為固體層。接下來，鋪設下一層粉末並重複上述過程，一層又一層的粉末被鋪設和燒結，直至形成所需的三維實體零件。

通過這一列印原理能夠較好的完成單一材料的3D列印，但如果在一次列印中使用多種不同材料則變得非常具有挑戰性，這是由於一旦粉末層被鋪設在列印床中，就很難被移走或更換為其他材料。此外，根據哥倫比亞大學工程學院，在標準選區雷射燒結3D印表機中，粉末床中其餘未融合的材料始終「包圍」著被燒結的區域，直到列印完成後將零件取出並清除多餘粉末後才能看出，這意味著在列印完成之前不一定會發現列印失敗的情況。

雷射束向上照射玻璃板。來源：哥倫比亞大學工程學院

研究團隊採取了一種新的粉末材料燒結方式，這一方式中不再需要標準選區雷射燒結設備中的大型粉末床，取而代之的是由列印平臺將透明玻璃板放置在一層薄薄的塑料粉末材料上，然後雷射束從下方照射粉末，將一層粉末燒結到玻璃板上，接下來如果需要列印另外一種不同的材料，則由列印平臺將玻璃板移動到另外一種薄薄的粉末上，仍由雷射束從下方照射，並將不同材料燒結到上一層材料表面。這一過程重複進行，直至完成零件的列印。

TPU 材料3D列印樣件。來源：哥倫比亞大學工程學院

在研究論文中，研究團隊展示了通過以上新型選區雷射燒結技術3D列印的樣件，包括一個單一熱塑性聚氨酯（TPU） 材料的樣件和一個由TPU和尼龍（PA）材料構成的多材料樣件。TPU 樣件2.18毫米，共分為50層，平均列印層厚43.6微米，多材料樣件平均列印層厚 71微米。這些樣件展示了新型選區雷射燒結工藝的可行性，同時展示了在燒結時將鋼板用力壓在玻璃板上從而獲得更為緻密材料的能力。

多材料3D列印樣件。來源：哥倫比亞大學工程學院

談到該技術的應用前景，研究人員表示該技術具有製造嵌入式電路、機電部件甚至是機器人部件的潛力，可能是將選區雷射燒結增材製造技術的應用由製造無源器件拓展至製造有源器件的關鍵。此外，該技術還可以拓展至梯度合金機械零件製造領域，例如製造渦輪葉片，其中一種材料用於製造核心部分，另一種材料用於製造表面塗層。

根據3D科學谷的市場觀察，研究人員現在正通過該技術試驗金屬粉末材料和塑料粉末材料兩種應用，旨在將選區雷射燒結工藝應用到更廣泛的機械、電氣、化學性能零部件製造領域。

3D科學谷Rieview

根據3D科學谷的市場觀察，基於選區雷射燒結技術對多材料3D列印的探索並非首次出現，歐洲創業企業Aerosint 也開發了對兩種不同材料進行選區雷射燒結的工藝，但其原理與哥倫比亞工程學院採用的方式不同。

Aerosint 採用的是一種稱之為「選擇性粉末沉積」的技術，該技術也改變了標準選區雷射燒結中的鋪粉工藝，改為通過可旋轉的轉鼓沉積粉末材料，在列印過程中，轉鼓穿過整個列印區域，每個轉鼓沉積一種材料，至少使用兩個轉鼓來實現多材料沉積。在兩種不同材料中，其中一種廉價粉末被用作支撐材料。

根據3D科學谷的市場觀察，與哥倫比亞大學工程學院的研究團隊將粉末床多材料3D列印技術向金屬多材料領域拓展一樣，Aerosint 也將這類似的技術應用到了選區雷射熔化金屬3D列印設備中，旨在實現雙金屬混合3D列印，在今年年初，Aerosint 公布了採用多金屬粉末材料沉積技術列印的雙金屬零件，該零件由316L不鏽鋼和銅鉻鋯（CuCrZr）混合嵌套。

歐盟地平線2020創新計劃中也對多材料金屬3D列印技術所有推動。由該技術資助的MULTI-FUN項目成員希望能夠3D列印許多以前不可能製造的產品，3D科學谷了解到包括具有高導熱性的多材料熱交換器與散熱器，帶有嵌入式電子設備的複雜金屬零件。

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