一种集成熔丝制造和激光粉末床熔融的3D打印

供稿人:杨帆、高琳
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室

金属和聚合物作为工程和医疗行业最常用的材料，二者的混合结构常用于汽车、飞机、电子产品和医疗植入物中。然而，传统的机械紧固、粘接、焊接等加工方法，都具有一定的局限性，如装配时间长、成本高、几何设计灵活性低等。3D打印技术可以很好地解决这一问题，通过逐层添加材料的方式，可生产定制的具有复杂几何形状的金属/聚合物组件。

熔丝制造技术（FFF）可用于金属的3D打印，激光粉末床熔融技术（PBF）可用于聚合物的3D打印。英国曼彻斯特大学的研究人员将这两种技术相结合，引入特别设计的机制和操作程序，提出了一种混合多材料3D打印系统，其结构如图1所示，系统的操作流程如图2所示。研究中使用的金属材料为316L不锈钢气雾化球形粉末和Cu10Sn铜合金球形粉末，底层材料为304钢制圆筒板和砌块，聚合物材料为聚乳酸(PLA)和聚对苯二甲酸乙酯(PET)长丝。

图1 混合多材料3D打印系统原理图

图2 熔丝制造与粉末床熔融集成系统的操作流程

研究人员利用这一集成系统，成功打印出了由金属和聚合物组成的复杂二维和三维几何元件，并且通过激光熔覆和再熔，可对聚合物的粗糙表面进行局部控制和加工。通过扫描电子显微镜和能谱分析技术进行观察，发现金属/聚合物界面无明显缺陷，表明聚合物在宏观和微观力学结构中均渗透良好，拉伸试验和剪切试验也证明了金属/聚合物部件的良好连接强度。此外，研究人员还尝试用激光在聚合物基板上熔化金属。实验结果表明，所有层的铜粉都应用激光熔覆在聚合物基板的顶部，且扫描参数应该不断变化，前几层所需能量较低，后续层所需能量更高，以防止对聚合物基材造成严重破坏。

这项技术可应用在电子器件制造领域，通过聚合物与导电材料的集成来打印各种电子元件。在生物医学领域，研究人员开发了一种3D打印的金属/聚合物植入物，将装载抗生素的可降解聚合物嵌入金属植入物中，具有可控的药物传输特性，用于局部供药。类似地，我们还可以采用其他材料体系，如金属基复合材料和增强聚合物复合材料等进行相关产品的加工制造，扩大其应用范围。

参考文献：
Chueh Y-H, Wei C, Zhang X, Li L. Integrated laser-based powder bed fusion and fused filament fabrication for three-dimensional printing of hybrid metal/polymer objects. Additive Manufacturing. 2020;31.