雷射反轉：實現多種材料的3D列印

2020-07-29 環球創新智慧

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。

雷射反轉：實現多種材料的3D列印

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。

雷射反轉：實現多種材料的3D列印

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。

雷射反轉：實現多種材料的3D列印

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

【2】https://www.engineering.columbia.edu/press-releases/lipson-whitehead-3d-printing

相關焦點

  • 雷射反轉:實現多種材料的3D列印!
    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。
  • 無需大型粉末床的多材料選區雷射燒結3D列印技術
    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。
  • 無需大型粉末床的多材料選區雷射燒結3D列印技術
    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。
  • 「反轉」的3D列印技術，可用於使用不同材料列印單個物體
    科學技術研發人員研發出一種「反轉」的技術變體，用於使用不同材料列印單個物體。據外媒報導，在原來，金屬的3D列印中最常用的是一種稱為選擇性雷射燒結（SLS）的工藝。在傳統的SLS中，一束雷射照射到充滿金屬粉末的列印床上。當光束按照預先編程的模式來回移動時，它將粉末熔化並融合成固體，但只在選定的區域。隨著更多粉末的加入，物體會逐漸形成，一次一層。
  • 3d列印的材料是有哪些?列印精度及後處理介紹
    用3D列印的材料是什麼？3D列印的材料一般分為金屬和非金屬兩大類，包括：聚乳酸、ABS、二氧化二鋁、尼龍、陶瓷、高溫、高韌性、高強度感光樹脂、半透明感光樹脂、軟膠3D列印、DLP進口紅蠟、DLP進口藍蠟、全鈷彩色3D列印、數控ABS加工、桌面ABS塑料等數十種材料。金屬三維印刷材料：金、銀、鋁合金、不鏽鋼、鈦合金等材料。
  • 3d列印材料大全,看看你知道幾個
    在3d列印領域，3d列印材料一直扮演著重要的角色。因此，3d列印材料是3d列印技術發展的重要物質基礎。在某種程度上，材料的發展決定了3d列印能否得到更廣泛的應用。目前，3D列印材料主要包括工程塑料、光敏樹脂、橡膠材料、金屬材料、陶瓷材料等。另外，彩色石膏材料、人工骨粉、細胞生物材料、砂糖等食品也用於3D列印領域。
  • 盤點3D印表機型的各種應用分類
    （文章來源：撒羅滿3d列印） 3D列印技術可以運用生活中的許多領域，這一期，撒羅滿將帶您走進3D列印技術類型的具體分享，同時為您展示印表機類型的列印方式，帶您更全面的了解3D列印領域。
  • 3D列印技術:3D列印珠寶首飾
    根據設計需求，我們可以應用多種不同材料來進行3D列印珠寶,比如多功能塑料、金屬銀，鉑，黃銅，青銅和鋼，針對金和銀等材料。那麼怎麼根據這一些材料進行3D列印呢？目前珠寶3D印表機主要有兩種技術，一種是能夠直接列印出貴金屬實體模型的3D列印技術，即雷射燒結技術；另一種是運用了3D列印技術先列印出蠟模，然後再應用失蠟法等工藝，將貴金屬澆築翻模，再進行簡單後期加工處理，即可得到珠寶首飾成品。
  • 材料創新:雷射燒結的木質3D列印材料
    【中關村在線辦公列印頻道原創】上周，Materialise公司正式推出一款被標記為「可3D列印」的選擇性雷射燒結木質材料。這種新型的材料是一種褐色的顆粒，外觀非常精細，其實它真實的成份是木片的粉末。這種材料所呈現出的產品表面具備微細孔並且非常有顆粒感。
  • 史上最全3D印表機型應用分類
    3D列印技術可以應用到生活中的很多領域，也有很多不同的列印方式，今天來給大家展示印表機類型的列印方式，更全面的了解3D列印領域。 3D列印流程一般是分為數據獲取、數據處理、3d列印和後處理四個步驟。常見的3D列印主流技術主要有以下8種，大家可以看看自己用的是哪些技術，對號入座。
  • 雷射3d印表機多少錢 雷射3d印表機價格及工作原理【詳解】
    雷射3D印表機是一種新型的 高科 技產品，能夠列印一切物品，3d技術在之前的新聞報導中我們就已經見識了它的神奇程度，可以應用於不同領域，幫助人們解決很多麻煩，甚至也可以解決在生物製造技術上的難題。雷射3d印表機就是3d印表機的升級版，那麼雷射3d印表機的工作原理是否和之前的相同呢?
  • 3D列印材料新突破：乳膠3D列印
    要實現科學工程的突破，需要大量的工作和研究，更需要專業團隊技術攻關。 近日，據白令三維了解，來自高分子創新研究所、科學院和工程學院的維吉尼亞理工學院跨學科團隊共同提出了一種新的乳膠3D列印方法，並獲得了國家科學基金會獎。維吉尼亞理工大學也與米其林北美合作開展這個項目。
  • 2020年中國3D列印材料行業市場現狀及發展前景分析 未來金屬3D列印...
    未來金屬3D列印材料將迎來新爆發期經過30多年的發展，3D列印技術不斷完善，目前已形成了3D生物列印、有機材料列印、金屬列印等多種列印模式，我國3D列印材料仍以工程塑料為主。2019年7月，主營業務為金屬列印的鉑力特在科創板上市，前瞻預計未來金屬3D列印材料將迎來新的爆發期。
  • 研究用於選擇性雷射3D列印技術的熱固性材料
    選擇性雷射燒結（SLS）是一種流行的3D列印工藝，原因很簡單。它具有許多優點：部件幾乎可以無限制地生產，不需要支撐。它還生產的部件通常比其他3D列印方法生產的部件更耐用和更實用。然而，它在可處理的材料方面確實存在一些限制，因此產生的組件性質是有限的。
  • 3D列印，解密未來製造業的「潛力股」
    2019年聖誕節，諾丁漢大學工程學院的研究生製作了200多個3d雪花送給本科大三的學弟學妹們。每一片雪花都是由我們目前正在攻讀增材製造與3d列印碩士學位（additive manufacturing and 3d printing msc）增材製造和3d列印碩士專業的學生親手製作的。
  • 美國哥倫比亞大學通過反向雷射燒結創造出多材料3D列印
    傳統上，LS的工作原理是使用向下定向的雷射將粉末床內的微型材料顆粒燒結在一起，以生成成品零件。零件是由一層又一層的顆粒組成的，未燒結的顆粒作為支撐部件，用於印刷部件的任何較薄或懸垂的部分。LS工藝可以適應多種材料，包括各種熱塑性塑料和金屬，並且通常比其他AM工藝生成的零件強度更高更耐用。LS還可以製造複雜度高的各種幾何結構，例如晶格，而使用其他AM工藝則很難製造。
  • 2020中國3D列印-增材製造設備、材料、軟體研發進展-上
    鈧的添加　　3D列印行業的增長依靠研發的驅動，在3D科學谷創始人Kitty看來3D列印對製造業的升級能力將以創新為「指數」，應用端的引入深度與廣度為「底數」，實現一場冪次方的附價值創造革命。，系統開發了多種牌號的高強鋁合粉末配方，結合3D列印測試，熱處理後的力學性能明顯優於鋁矽合金，目前正在航天某院小批量生產。
  • 3D列印：帶你讀懂3D列印尼龍材料
    尼龍材料相比其他列印材料吸溼率更高，所以更易噴漆上色，並有著更高的強度和靈活度。　　如今，它被廣泛應用於常見的機器零部件中，比如電纜扎帶、螺釘、螺栓、螺母，甚至是塑料齒輪。當然，相比其他塑料材料它需要更高的列印溫度，使其在使用時更加專業。尼龍材料適合哪些3D列印方法呢？
  • 東北林大團隊研發桌面型全功能雷射燒結3D印表機 將填補市場空白
    東北網10月31日訊(記者 姜姍姍)近日，記者從東北林業大學獲悉，機電學院教授郭豔玲帶領團隊研發了桌面型全功能雷射燒結3D印表機。通過科研「點石成金」，將木粉、竹粉、果殼、秸稈、稻殼等農林廢棄物與樹脂材料按比例混合加工成3D列印原料，把這些「廢物」變成寶貝。
  • 3D列印實現製造輕量化:從材料到結構
    輕量化的實現途徑主要有三大方面：一是材料的優化設計和應用；二是產品結構的優化設計；三是先進位造技術的開發應用。三者相輔相成以實現最終產品的輕量化製造，而這其中產品結構優化設計和材料的優化設計具有廣大的研究和開發空間。