激光向上照射，全新SLS激光燒結技術實現(xiàn)多材料打印

南極熊導讀：選擇性激光燒結（SLS）3D打印技術獲得重大突破!

選擇性激光燒結（SLS）是最廣泛使用的3D打印制造工藝之一，它使用激光從微米級的材料粉末中3D打印出零件：激光將聚合物材料顆粒加熱熔化，融合粘結，層層堆疊而成。

△傳統(tǒng)的SLS激光燒結工藝

然而，SLS技術也有自己的弊端，它一次只能用單一材料打印，不能同時打印多種材料。以前，選擇性激光燒結使用激光向下照射到打印床，將材料顆粒融合在一起。物體是由下而上構建的，打印機鋪一層均勻的粉末，并使用激光選擇性地熔合該層中的材料。然后在第一層粉末上沉積第二層粉末，激光將新的材料與前一層的材料融合，這個過程不斷重復，直到零件完成。

如果在打印過程中只使用一種材料，這個過程的效果很好。但要在一次打印中使用多種材料的話，一直非常具有挑戰(zhàn)性，因為一旦粉末層沉積到粉末床上，就不能取消放置，或者用不同的粉末替換。

2020年7月28日，南極熊獲悉，有一個機器人工程師團隊，現(xiàn)在開發(fā)出一種新的方法來克服這一弊端。通過反轉激光方向，向上照射，使SLS能夠同時使用多種材料。

△通過激光向上照射，實現(xiàn)多材料SLS 3D打印

那么這項技術究竟是通過什么原理來實現(xiàn)SLS多材料打印的呢？通過這個視頻可以非常清晰的看明白。

△視頻：通過激光向上照射，實現(xiàn)多材料SLS 3D打印

哥倫比亞大學工程與應用科學學院Lipson教授和他的博士生John Whitehead，利用他們在機器人方面的專業(yè)知識，通過將激光器倒置，使SLS能夠同時使用多種材料。他們的樣機，以及在同一層中包含兩種不同材料的打印樣品，最近被《Additive Manufacturing》在線發(fā)表。

其工作原理是這樣的：

△原型樣機是這樣的，激光器在下方，通過振鏡將激光導向上方的成型區(qū)

△在成型區(qū)鋪一層粉末材料，放上成型平臺，壓上一個砝碼

△激光燒結粉末材料

△取下平臺，上面就是燒結了一層粉末形成的零件層，如此重復燒結，層層堆疊可以得到這樣一個零件

△單一粉末材料3D打印的零件

另外，如果用兩個粉末平臺不斷切換，就可以打印出兩種材料的零件。研究人員設置了多塊透明玻璃板，每塊玻璃板上都涂有不同的一層薄薄的塑料粉末。他們將一個打印平臺降到其中一個粉末的上表面，并將激光束從板子下面射上去，穿過板子的底部。根據(jù)模型數(shù)據(jù)設定的路徑，把粉末燒結熔化到平臺上。然后將平臺與熔融材料一起升起，并移動到另一塊涂有不同粉末的板子上。重復這一過程。
這樣一來，就可以將多種材料融合成一層，或者疊加在一起。同時，用完的上一板也會補充材料。

△將平臺放在不同的粉末上打印燒結，就可以得到一個兩種材料的零件

在論文中，研究人員通過用平均層高為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打印件，展示了他們的工作原型。這些零件既證明了工藝的可行性，也證明了在燒結時將板子用力壓在懸掛的零件上，可以制造出更強、更密的材料。

△兩種材料打印出的零件

第一作者Whitehead說："我們的初步結果很令人興奮，因為它們意味著一個未來，更多的零件可以一鍵制造出來，從簡單的工具到更復雜的系統(tǒng)（如機器人）的物體，都可以從打印機中生成，而不需要組裝。"


Lipson指出："這項技術有可能打印嵌入式電路、機電部件，甚至機器人部件。它可以制造具有分級合金的機器零件，材料成分從頭到尾逐漸變化，例如渦輪葉片的核心使用一種材料，表面涂層使用不同的材料。我們認為，這將使激光燒結向更廣泛的行業(yè)擴展，無需組裝就能制造復雜的多材料零件。換句話說，這可能是使增材制造行業(yè)從只打印單一材料部件，轉向打印主動集成系統(tǒng)的關鍵。"

除了SLS激光燒結聚合物材料，南極熊了解到，研究人員正在嘗試使用金屬粉末和樹脂，以便直接生成具有更廣泛的機械、電氣和化學性能的零件。