江蘇激光聯盟導讀：

據美國哥倫比亞大學工程學院官網近日報道，該校研究人員發明了一項新技術，有望改變增材制造工藝，打印電路闆、機電元件甚至可能是機器人。

圖形摘要

在過去的十年中，增材制造（AM）領域經曆了持續增長，年增長率超過20％。激光燒結（LS）是工業過程中使用最廣泛的增材制造方法，并在該增長中占最大比例。傳統上，LS的工作原理是使用向下定向的激光将粉末床内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，用于印刷部件的任何較薄或懸垂的部分。

LS工藝可以适應多種材料，包括各種熱塑性塑料和金屬，并且通常比其他AM工藝生成的零件強度更高更耐用。LS還可以制造複雜度高的各種幾何結構，例如晶格，而使用其他AM工藝則很難制造。此外，與大多數其他AM工藝相反，在LS機器上生成的零件可用作功能性最終用途零件。這些優勢使LS工藝能夠對包括國防、生物醫學和航空航天在内的行業的各個領域進行改革創新。

盡管在整個行業範圍内都采用了傳統的LS工藝，但它仍具有幾個主要缺點。首先，LS工藝需要完整的粉末床，該粉末床經常被加熱到接近融化的溫度，以便于顆粒燒結。這種環境加熱會引起化學和物理變化，從而對材料的可預測性産生負面影響，導緻未融合的顆粒被扔掉或需要輸入未加熱的材料才能使用。其次，未熔融粉末床有時需要支撐零件，但不利之處在于使打印零件難以全面監控。雖然某些先進的LS系統使用光學反饋，但它們隻能監視印刷零件的裸露上表面，而不會檢測到在覆蓋的下層發生的翹曲。這将進一步加劇傳統LS工藝産生的浪費，因為任何無法正确打印的零件将被丢棄并重新打印，從而浪費了失敗打印所用的材料。

LS工藝的另一個主要缺點是，它們通常一次隻能燒結一種材料。

由于可用材料的種類繁多，成功的多材料增材制造工藝将具有廣泛的實際應用，例如梯度合金的開發。之前的研究集中在開發用于激光燒結設備的多材料AM方法，或者通過使用真空用第二粉末替換給定層中的未燒結材料，或者通過使用單獨的沉積裝置(通常是第二真空裝置)放置具有待填充材料的空間的初始層。然而，廣泛的分析表明，使用該方法未燒結材料從一種材料轉成另一種材料一個持續存在的問題。用于多材料激光燒結的其他方法包括LENS / DED工藝，該工藝可将多種粉末噴射到激光束的焦點上。LENS工藝具有許多優點，包括能夠向現有零件添加材料并符合現有複雜的幾何形狀，但是由于粉末在噴塗後不易分離或回收，因此在粉末使用中通常是浪費的。當前正在開發其他方法，該方法将允許進行多種材料的打印，但尚未在市場上銷售，并且将要求用戶購買特殊的粉末以專門用作支撐結構。

本文研究人員提出了一種LS工藝設計，該工藝通過将激光垂直向上引導通過打印床下面的硼矽酸鹽玻璃闆将粉末燒結成一層薄粉末。我們稱此過程為反向激光燒結（ILS）。ILS的第一步包括在玻璃的上表面塗上脫模劑，然後在玻璃的頂部沉積一定量的材料，然後通過振動将粉末均勻地分布以形成單層。可以使用真空設備去除多餘的材料，因為脫模劑會捕獲單層粉末。

激光束向上透過玻璃。圖片來源：John Whitehead /哥倫比亞

接下來，将基闆壓在未熔融粉末單層的頂部，然後使用藍色激光将微粒材料選擇性地熔合到玻璃闆上。最後，提起玻璃闆，并補充粉狀玻璃闆上的材料。可以重複此過程，将新的材料層融合到先前的材料層，直到完成打印為止。

注意事項：由于研究人員使用藍色激光，有效吸收藍光的基材、熱活化的粘合劑是确保初始印刷層與平台粘合的關鍵。

研究人員開發了一種将兩種熱塑性聚合物融合到單層中的系統。對于激光器設置，他們使用了2.8 W的藍色激光器（445 nm，J Tech Photonics），在1.25A的電流下調至1.3 W，以增加系統的壽命并減少熱量的産生。激光由Arduino Uno控制的一組反射鏡檢流計（Seeed Studios）引導到預定的燒結位置。沒有選擇标準的CO 2激光器，因為它會與選擇的透明玻璃相互作用，而藍色激光器直接透射到材料中。

其工作原理是這樣的：

需要兩種不同的粉末來使研究人員展示3D打印機的多材料打印功能。選擇的第一個是尼龍12，也稱為PA12（深灰色，Sintratec Ltd）。選擇該材料的原因有三個。首先，PA12是一種常用且廣泛使用的LS材料，這使得粉末更容易在商業上少量發現（〜2 L容器）。其次，PA12是一種熱塑性材料，這意味着與玻璃或金屬粉末相比，該粉末具有相對較低的燒結溫度（〜176°C）。如此低的熔融溫度對研究人員的測試尤為重要，因為他們沒有利用加熱的打印環境。因此，目前他們無法從初始溫度基準升高中受益。第三，PA12已用于現有的商用台式LS打印機中，該打印機以傳統的向下配置結合了藍色激光。白色TPU（Sinterit）是第二選擇的材料。進行此選擇的原因是色差，這使得印刷部件中兩種材料之間的區别在視覺上顯而易見，而且TPU的熔化溫度（〜160°C）與尼龍相當。在這項工作中，必須具有可比的熔化溫度，因為研究人員在所有測試期間都保持激光功率不變。但是，在未來的實驗中改變激光器的工作功率将允許使用更多的材料。

通過此工藝生成的多材料樣本

視頻演示

除了多材料印刷品外，研究人員還使用具有圓形燒結圖案的TPU粉末生成了多層，單材料印刷品（如下圖）。該印刷品由50層組成，平均外徑約為20毫米，内徑約為4毫米。該打印件的總高度為2.18毫米。這導緻平均層高度為43.6μm。使用5 ms的時間延遲，連續的圓差（a）為20和1度的角距（b）生成此樣本。由于輸入形狀參數應該已經形成了一個完美的圓，因此可以清楚地看到由于玻璃折射引起的微小變形。

倒置的50層燒結樣品（a）頂視圖（b）底視圖（c）輪廓視圖

這項技術有可能打印嵌入式電路、機電元件，甚至機器人元件，”Lipson說。“它可以制造具有分級合金的機器零件，其材料成分從頭到尾逐漸變化，比如渦輪葉片，核心使用一種材料，表面塗層使用不同的材料。

本文來源：DOI:10.1016/j . addma . 2020.101440

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!