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，有望改變增材製造工藝，打印電路板、機電元件甚至可能是機器人。

背景

增材製造或者3D打印，采用數字製造工藝來製造輕量、堅固、無需特殊工具生產(chan) 的部件。過去十年來，這一領域經曆了強勁的增長，每年以超過20%的速度增長，以金屬和工程聚合物來打印從(cong) 飛機和汽車部件到醫療和牙科植入物的一係列部件。最廣泛使用的製造工藝之一：選擇性激光燒結（SLS），利用激光通過微米級的材料粉末打印部件。激光加熱粒子使其融合到一起形成固體(ti) 物質。

美國哥倫(lun) 比亞(ya) 大學工程學院材料工程係教授霍德·利普森（Hod Lipson）表示：“增材製造對於(yu) 經濟韌性來說很關(guan) 鍵。我們(men) 都很關(guan) 心這項技術，它將拯救我們(men) ，但這裏卻有一個(ge) 陷阱。”

這個(ge) 陷阱就是SLS技術一次隻能用一種材料打印。整個(ge) 部件必須僅(jin) 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(chan) 品僅(jin) 由一種材料製成？僅(jin) 由一種材料打印的局限性，一直困擾著行業(ye) ，阻礙其發展以及發揮全部潛力。”

創新

為(wei) 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(men) 在機器人技術方麵的專(zhuan) 長，開發了一個(ge) 新方案來突破這些SLS限製。通過將激光反轉使其指向上方，他們(men) 發明了一個(ge) 方法來使SLS同時使用多種材料。他們(men) 的工作原型機，伴隨著一個(ge) 在同一層中含有兩(liang) 種不同材料的打印樣品，最近作為(wei) 《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(men) 的初始成果令人振奮，因為(wei) 這些成果暗示著未來按一下按鈕就可以製造任意部件，從(cong) 簡單的工具到複雜的服務係統例如機器人的一係列物體(ti) ，都可以通過打印機完全成形地打印出來，無需組裝。”

技術

傳(chuan) 統上意義(yi) 上說，選擇性激光燒結采用向下指向加熱打印床的激光，將材料的顆粒熔合在一起。固態物體(ti) 自下而上構造，打印機鋪上一層均勻的粉末，並采用激光選擇性地在層中熔合一些材料。然後，打印機將第二層的粉末沉積到第一層上，激光將新材料與(yu) 前一層中的材料熔合到一起，這個(ge) 過程一遍又一遍地重複，直到部件完成。

如果在打印過程中僅(jin) 用了一種材料，這項工藝會(hui) 工作得很好。但是一次打印中使用多種材料一直都是極具挑戰性的，因為(wei) 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。

多層單材料打印樣品（圖片來源：哥倫(lun) 比亞(ya) 大學工程學院）

懷特海德補充道：“此外，在標準打印機中，因為(wei) 由於(yu) 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打印的物體(ti) ，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(cong) 周圍的泥土中取出時，你才能確定化石完好無損。這意味著，在打印完成之前，不一定會(hui) 發現打印失敗，這樣就會(hui) 浪費時間和金錢。”

研究人員決(jue) 定尋找一個(ge) 方法來完全消除對粉末床的需要。他們(men) 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(men) 將打印平台降低到某一種粉末的上表麵之上，並且從(cong) 板下將激光束引導上來，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打印平台上。然後，平台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，然後反複這一過程。這樣使得多種材料要麽(me) 被融合到單層中，要麽(me) 層疊。同時，用完的老板子被重新裝填。

通過玻璃向上傳(chuan) 輸的激光束。（圖片來源：哥倫(lun) 比亞(ya) 大學工程學院）

論文中，該團隊通過用平均層高為(wei) 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(wei) 71微米的多材料尼龍和TPU打印件，展示了他們(men) 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。

雙熱塑性SLS打印樣品（圖片來源：哥倫(lun) 比亞(ya) 大學工程學院）

價(jia) 值

利普森表示：“這項技術有望用於(yu) 打印嵌入式電路、機電元件甚至機器人組件。它能采用梯度合金來製造機器部件，這些合金的材料成分從(cong) 一端到一端逐漸變化，就像渦輪葉片，一種材料用於(yu) 核心，另一種材料用於(yu) 表麵塗層。我們(men) 認為(wei) ，這將啟動無需組裝的複雜多材料部件製造，讓激光燒結拓展到更廣泛的行業(ye) 。換句話說，這項技術將成為(wei) 增材製造行業(ye) 從(cong) 隻打印被動式均勻部件向打印主動集成係統轉變的關(guan) 鍵。”

研究人員正在對金屬粉末和樹脂進行實驗，從(cong) 而直接生成比目前傳(chuan) 統的SLS係統具有更廣泛機械、電氣以及化學特性的部件。