哥倫(lun) 比亞(ya) 大學工程學院的研究人員展示了一種新穎的選擇性激光燒結（SLS）3D打印工藝，該工藝可以在同一打印運行中燒結多種粉末。通過反轉SLS 3D打印機內(nei) 部的激光使其指向上方，並用玻璃板替換其粉末床箱，研究人員能夠同時使用多種材料進行打印。該小組的新技術使他們(men) 能夠製造出在同一層中包含兩(liang) 種不同聚合物的增強型工作原型。隨著進一步的發展，該工藝可用於(yu) 製造多種材料的零件，從(cong) 嵌入式電路板到機器人組件。

約翰·懷特海德（John Whitehead）和霍德·利普森（Hod Lipson）共同撰寫(xie) 了這項研究。懷特海德解釋了結果，“提示了將來隻要按一下按鈕就可以製造任何零件，而無需組裝就可以從(cong) 完全成型的打印機中取出從(cong) 簡單工具到更複雜的係統（如機器人）的對象。僅(jin) 在一種材料上進行印刷的局限就已經激發了該行業(ye) 並阻礙了它的發展，從(cong) 而阻止了它發揮其全部潛力。”

多材料SLS生產(chan) 的局限性

傳(chuan) 統上，激光燒結是通過使用向下定向的激光將粉末床內(nei) 的微型材料顆粒融合在一起來進行的。多種材料與(yu) SLS 3D打印過程兼容，包括用於(yu) 生產(chan) 耐用最終用途零件的熱塑性塑料和金屬。盡管激光燒結的靈活性在航空航天和國防工業(ye) 中有許多應用，但是該生產(chan) 方法仍然存在缺陷。例如，為(wei) 了促進顆粒燒結，SLS工藝要求將整個(ge) 粉末床加熱到接近熔融的溫度。這種環境加熱會(hui) 引起化學和物理變化，對材料的可預測性產(chan) 生負麵影響，從(cong) 而導致未融合的顆粒。

此外，未燒結粉末可在印刷過程中支撐零件，並且無需專(zhuan) 用的支撐結構，由於(yu) 印刷品被粉餅掩蓋，因此監控過程也具有挑戰性。因此，如果構建失敗且沒有進程內(nei) 監視，則可能僅(jin) 在過程結束時才發現缺陷。據了解，在標準打印機中，由於(yu) 放置的每個(ge) 連續層都是均勻的，未融合的材料會(hui) 遮擋待打印對象的視線，直到您在循環結束時取出完成的零件為(wei) 止。這意味著在打印完成之前不一定會(hui) 發現打印失敗，這會(hui) 浪費時間和金錢。”

另外，目前的SLS技術基本上隻允許一次燒結一種材料，從(cong) 而限製了其製造漸變合金和多材料聚合物零件的能力。先前的方法已經使用真空用二級粉末代替了未燒結的材料，但是交叉汙染仍然是該方法的問題。

該研究組的ILS 3D打印技術允許在組件的構造中使用一種以上的粉末。

倒立激光燒結3D打印

結果，研究人員設計了一種新穎的3D打印技術，他們(men) 將其稱為(wei) 倒置激光燒結（ILS）。這種新方法通過將打印機的激光垂直向上引導通過硼矽酸鹽玻璃板，將材料的顆粒燒結在一起。

ILS首先將可控製數量的聚合物粉末沉積到玻璃上。然後將基材壓在未熔融粉末單層的頂部，因為(wei) 使用藍色激光將顆粒材料選擇性地融合到其上。一旦完成該過程並且提起了基材，就可以補充材料。然後重複該過程，將新圖層不斷融合在一起，直到創建3D對象。據了解，使用多個(ge) 玻璃板可以使用多種不同的粉末，從(cong) 而可以生產(chan) 分級和多種材料的零件。而且，與(yu) 傳(chuan) 統的粉末床方法一樣，分別燒結粉末可防止它們(men) 混合。盡管在團隊測試期間未執行清潔過程，但也可以將其集成到ILS中。通過在多個(ge) 打印台之間運輸打印部件，可以在打印暫停之間清除散粉。

哥倫(lun) 比亞(ya) 研究人員生產(chan) 了一個(ge) 具有50層的原型零件，該零件的厚度比傳(chuan) 統的SLS印刷品更為(wei) 均勻。

新的SLS方法的未來應用

為(wei) 了測試他們(men) 新穎的生產(chan) 方法，研究團隊使用Sinterit白色TPU和Sintratec PA12熱塑性材料的混合物製作了一個(ge) 50層厚，2.18mm的樣品。該部件的平均層厚度約為(wei) 71μm，比使用常規SLS 3D打印所產(chan) 生的厚度更均勻。而且，其各個(ge) 層的高度為(wei) 43.6μm，使結構完全處於(yu) 普通激光燒結印刷品的標準範圍內(nei) 。

結果，研究人員得出結論，證明了其工藝的可行性及其製造更堅固，更致密材料的能力。未來，哥倫(lun) 比亞(ya) 團隊的目標是為(wei) ILS設計一種經過改進的打印機設置，具有自動粉末沉積功能和優(you) 化的激光參數，並進行多種材料的試驗。通過其他研究，該項目的共同研究人員Hod Lipson認為(wei) ，該方法最終可以應用於(yu) 生產(chan) 多種材料的組件。據了解，這項技術具有印刷嵌入式電路，機電部件甚至機器人部件的潛力。這將使無需組裝即可製造複雜的多材料零件，從(cong) 而將激光燒結擴展到更廣泛的行業(ye) 。換句話說，這可能是使增材製造行業(ye) 從(cong) 僅(jin) 打印無源均勻零件到打印有源集成係統的關(guan) 鍵。

推進SLS增材製造

近年來，許多增材製造公司都采用了自己的方法來優(you) 化SLS印刷。這些3D打印機通常與(yu) 傳(chuan) 統的SLS機器相似，因為(wei) 它們(men) 從(cong) 下至上將粉末逐層融合在一起，但是它們(men) 還具有增強的監控功能和材料兼容性。

3D打印機製造商Aerosint提供了一種當前的選擇，他們(men) 的多粉SLS打印替代品名為(wei) “選擇性粉末沉積”。該公司的方法包括粉末分配器和圖案化鼓，這些鼓以逐行方式選擇性地沉積細粉。該技術可用於(yu) 製造多金屬3D打印零件。

德國3D打印機OEM EOS建立在數十年的數據基礎上，以了解製造室的計量學並開發其獲得專(zhuan) 利的EOSTATE過程監控套件。該技術使用集成的攝像頭在打印過程中拍攝建築區域的圖片，並在形成每一層後識別出不規則之處。使用捕獲的圖像，可以快速識別不均勻或不完整的圖層，從(cong) 而使用戶可以停止該過程並糾正任何問題。

在其他地方，瑞典初創公司Wematter於(yu) 去年11月推出了其新的SLS 3D打印機，名為(wei) Gravity 2020。該係統支持雲(yun) 計算，可對其內(nei) 置傳(chuan) 感器和電子設備進行監視和過程控製。利用其提供實時視頻供稿的集成攝像頭，用戶可以實時跟蹤已打印的層數。