激光反转可实现多种材料的3D打印

增材制造（或3D打印）使用数字制造工艺来制造重量轻，坚固且不需要特殊工具即可生产的组件。在过去的十年中，该领域经历了惊人的增长，每年以超过20％的速度增长，使用金属和工程聚合物印刷从航空器部件和汽车部件到医疗和牙科植入物的各种印刷品。选择性激光烧结（SLS）是最广泛使用的制造工艺之一，它使用激光从微米级的材料粉末中打印零件：激光将颗粒加热到它们融合在一起以形成固体的程度。

“增材制造是经济弹性的关键，”霍姆·利普森（JamesandSallyScapa）创新教授（机械工程）说。“我们所有人都在关注这项技术，它将挽救我们。但是有一个陷阱。”

值得注意的是，SLS技术仅限于一次仅使用一种材料进行打印：整个零件只能由一种粉末制成。利普森继续说：“现在，让我问你，用一种材料制成多少种产品？仅用一种材料进行印刷的局限性就困扰着整个行业，阻碍了其发展，从而无法发挥其全部潜力。”

Lipson和他的博士想知道如何解决这个挑战。学生JohnWhitehead利用他们在机器人技术方面的专长来开发一种克服这些SLS局限性的新方法。通过反转激光使其指向上方，他们发明了一种使SLS同时使用多种材料的方法。他们的工作原型，以及在同一层中包含两种不同材料的印刷样本，最近由AdditiveManufacturing在线发布，作为其2020年12月版的一部分。

该研究的主要作者怀特海德说：“我们的初步结果令人兴奋，因为它们暗示了未来只要按一下按钮就可以制造任何零件，从简单的工具到更复杂的系统（例如机器人），都可以制造。从不需要完全组装的打印机中取出。”

传统上，选择性激光烧结涉及使用向下指向加热的印刷床的激光将材料颗粒融合在一起。从下至上建立一个固体物体，打印机放下均匀的粉末层，并使用激光选择性地熔化该层中的某些材料。然后，打印机将第二层粉末沉积到第一层上，激光将新材料熔化到前一层中的材料上，然后反复重复此过程，直到完成零件。

如果在打印过程中仅使用一种材料，则此过程效果很好。但是在一次打印中使用多种材料非常具有挑战性，因为一旦将粉末层沉积到床上，就不能将其放下或用其他粉末代替。

Whitehead补充说：“另外，在标准打印机中，由于放置的每个连续层都是均匀的，未融合的材料会使您看不到要打印的对象，直到在周期结束时取出完成的部件为止。关于发掘以及在完全从周围的污垢中清除化石之前，如何确保其完好无损。这意味着在完成打印之前并不一定会发现打印失败，这会浪费时间和金钱。”

研究人员决定找到一种方法，完全消除对粉末床的需求。他们设置了多个透明玻璃板，每个玻璃板上都涂有一层薄薄的不同塑料粉末。他们将打印平台降低到一种粉末的上表面，然后将激光束从印版下面引导通过印版底部。该过程根据虚拟蓝图以预编程的模式将一些粉末有选择地烧结到打印平台上。然后用融合的材料将平台抬起，并移至另一块涂有不同粉末的板上，然后重复该过程。这允许将多种材料合并到单个层中或堆叠。同时，对旧的用完的印版进行补充。

在论文中，该团队通过用平均层高为43.6微米的热塑性聚氨酯（TPU）粉末生成了50层厚，2.18毫米的样品以及平均层高为多材料的尼龙和TPU印刷品，展示了他们的工作原型。71微米。这些零件既展示了该工艺的可行性，又展示了通过在烧结时将钢板用力压在悬挂的零件上来制造更坚固，更致密的材料的能力。

“这项技术具有印刷嵌入式电路，机电部件甚至机器人部件的潜力。它可以用梯度合金制造机械零件，这些合金的材料组成会随着端到端逐渐变化，例如涡轮叶片，其中一种材料用作芯子以及用于表面涂层的不同材料，”Lipson指出。“我们认为，这将使激光烧结能够通过无需组装而制造复杂的多材料零件而扩展到更广泛的行业。换句话说，这可能是将增材制造行业从仅印刷无源均匀零件转向印刷的关键。主动集成系统。”

研究人员现在正在试验金属粉末和树脂，以直接生产具有比今天的常规SLS系统更广泛的机械，电气和化学性能的零件。