激光向上照射,全新SLS激光烧结技术实现多材料打印

3D打印快讯
2020
07/28
16:21
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南极熊导读:选择性激光烧结(SLS)3D打印技术获得重大突破!

选择性激光烧结(SLS)是最广泛使用的3D打印制造工艺之一,它使用激光从微米级的材料粉末中3D打印出零件:激光将聚合物材料颗粒加热熔化,融合粘结,层层堆叠而成。
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△传统的SLS激光烧结工艺

然而,SLS技术也有自己的弊端,它一次只能用单一材料打印,不能同时打印多种材料。以前,选择性激光烧结使用激光向下照射到打印床,将材料颗粒融合在一起。物体是由下而上构建的,打印机铺一层均匀的粉末,并使用激光选择性地熔合该层中的材料。然后在第一层粉末上沉积第二层粉末,激光将新的材料与前一层的材料融合,这个过程不断重复,直到零件完成。

如果在打印过程中只使用一种材料,这个过程的效果很好。但要在一次打印中使用多种材料的话,一直非常具有挑战性,因为一旦粉末层沉积到粉末床上,就不能取消放置,或者用不同的粉末替换。

2020年7月28日,南极熊获悉,有一个机器人工程师团队,现在开发出一种新的方法来克服这一弊端。通过反转激光方向,向上照射,使SLS能够同时使用多种材料。
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△通过激光向上照射,实现多材料SLS 3D打印

那么这项技术究竟是通过什么原理来实现SLS多材料打印的呢?通过这个视频可以非常清晰的看明白。
△视频:通过激光向上照射,实现多材料SLS 3D打印

哥伦比亚大学工程与应用科学学院Lipson教授和他的博士生John Whitehead,利用他们在机器人方面的专业知识,通过将激光器倒置,使SLS能够同时使用多种材料。他们的样机,以及在同一层中包含两种不同材料的打印样品,最近被《Additive Manufacturing》在线发表。

其工作原理是这样的:
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△原型样机是这样的,激光器在下方,通过振镜将激光导向上方的成型区

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△在成型区铺一层粉末材料,放上成型平台,压上一个砝码

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△激光烧结粉末材料

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△取下平台,上面就是烧结了一层粉末形成的零件层,如此重复烧结,层层堆叠可以得到这样一个零件

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△单一粉末材料3D打印的零件

另外,如果用两个粉末平台不断切换,就可以打印出两种材料的零件。研究人员设置了多块透明玻璃板,每块玻璃板上都涂有不同的一层薄薄的塑料粉末。他们将一个打印平台降到其中一个粉末的上表面,并将激光束从板子下面射上去,穿过板子的底部。根据模型数据设定的路径,把粉末烧结熔化到平台上。然后将平台与熔融材料一起升起,并移动到另一块涂有不同粉末的板子上。重复这一过程。
这样一来,就可以将多种材料融合成一层,或者叠加在一起。同时,用完的上一板也会补充材料。
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△将平台放在不同的粉末上打印烧结,就可以得到一个两种材料的零件

在论文中,研究人员通过用平均层高为43.6微米的热塑性聚氨酯(TPU)粉末生成50层厚、2.18毫米的样品,以及平均层高为71微米的多材料尼龙和TPU打印件,展示了他们的工作原型。这些零件既证明了工艺的可行性,也证明了在烧结时将板子用力压在悬挂的零件上,可以制造出更强、更密的材料。
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△两种材料打印出的零件

第一作者Whitehead说:"我们的初步结果很令人兴奋,因为它们意味着一个未来,更多的零件可以一键制造出来,从简单的工具到更复杂的系统(如机器人)的物体,都可以从打印机中生成,而不需要组装。"


Lipson指出:"这项技术有可能打印嵌入式电路、机电部件,甚至机器人部件。它可以制造具有分级合金的机器零件,材料成分从头到尾逐渐变化,例如涡轮叶片的核心使用一种材料,表面涂层使用不同的材料。我们认为,这将使激光烧结向更广泛的行业扩展,无需组装就能制造复杂的多材料零件。换句话说,这可能是使增材制造行业从只打印单一材料部件,转向打印主动集成系统的关键。"

除了SLS激光烧结聚合物材料,南极熊了解到,研究人员正在尝试使用金属粉末和树脂,以便直接生成具有更广泛的机械、电气和化学性能的零件。




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