多材料3D打印零件蓄势待发

来源：美国机械工程师学会网站。

哥伦比亚大学工程学院研究人员发明了一种新的增材制造技术，可在单次打印过程中使用多种材料。选择性激光烧结（SLS）技术利用激光来熔化金属或塑料材质的粉末并融合成为3D物体，所制作的零件强度高、可靠性好，是工业界最理想的增材制造方法之一，但某些因素制约其发挥全部潜力。

目前，哥伦比亚大学工程学院的研究人员发明了一种新技术，有望解决SLS技术中最大的制约因素，开辟了利用多种材料制造组件的新方向，3D打印机将直接制作出完全成形的复杂系统。具有机器人学术背景的研究人员应该能够预见到利用3D打印技术直接制作各种物体的潜力，从电路板到机电元件，甚至是完整的机器人。这项新技术将激光倒置过来熔化和融合微米级的粉末材料，形成一个3D物体。

在传统的SLS打印中，激光向下指向打印台进行加热，从下向上逐层制作零件，最终制作完成一个物体。这个过程完成后，需要将零件从其周围多余的颗粒堆中将“挖”出来，在大多数情况下，这些剩余的颗粒不能再使用。此外，根据哥伦比亚大学工程学院教授、创意机器实验室主任Hod Lipson（从事机器人、人工智能、数字设计与制造方面的研究）的说法，这种方法在打印过程中只能使用一种材料，会造成大量浪费，而且粉尘过多，会对环境产生负面影响，甚至可能引发粉尘爆炸。

Lipson及其博士生John Whitehead的研究团队已着手彻底消除粉床。他们选用热塑性聚氨酯弹性体橡胶（TPU）和尼龙12聚合物这两种不同的粉末涂覆玻璃板，在每块玻璃板上形成一层薄薄的涂层，然后将打印平台降低，放在其中一块玻璃板的上表面上。接下来，从该玻璃板的下方向上投射激光束。激光根据预编程的虚拟设计图，选择性地将部分粉末烧结到打印平台上。继而，借助熔融材料令平台升高，将其移动到另一块玻璃板上，置放在另一种粉末的顶部或旁边，再重复上述烧结过程直到零件制作完成。

Lipson说：“我们把烧结过程颠倒过来，采用自顶向下的方式制作零件。这样做的好处主要是每次烧结时只需要撒少量的粉末，因而粉末用量较小；其次，可以使用多种类型的粉末进行烧结，这对于整个行业而言是一项可以改变游戏规则的创新。许多真实的东西都是由多种材料构成的。我认为这正是整个行业所缺失的部分。”

△上面两张图片中，在一个SLS打印过程中使用了TPU（白色材料）与尼龙12（黑色材料）这两种不同的材料。图片摄影：John Whitehead

之所以选择TPU和尼龙这两种材料进行演示，是因为它们的视觉对比度好（黑色和白色），而且可以用低功率激光进行烧结（出于安全原因）。研究组制作了两个样品，分别是大约19mm×19mm×0.7mm的阴阳符号和大约25mm×32mm×0.6mm的蝴蝶。

Whitehead说：“标准的SLS系统是不可能将这两种材料组合在一起的。”

该研究团队设想了这项技术的一些潜在应用领域。Whitehead举例说，医疗植入物“必须是高度定制化的，而且要与某种已有的几何形状或生物组织相吻合，还要相当结实耐用。因此，金属增材制造技术较为合适。”下一步，该团队需要证明这项技术适用于金属材料。此外，还有其他一些计划，比如将电子设备嵌入到打印件中或是在其中埋入微芯片，这类操作目前只能在3D打印完成之后再做。

Lipson注意到了这项技术在制造膝关节和髋关节植入物时的优势，他说，植入物的核心部位通常需要使用软材料，而外围则需要包裹硬质材料，以免植入物比骨骼更坚硬而导致骨折。“你必须让打印件适应这种情况，这是一件非常棘手的事。多材料技术是个办法，不过现在还不行。”

展望未来，该团队希望将各种不同的方法集成到增材制造技术中，并对其前景感到兴奋。Lipson说：“目前你需要选择是使用粉末或是液体，还是使用挤出式塑料材料（FDM或熔融沉积成型工艺）。你必须从中选择某一种，此后就只能沿着该路线继续下去。但它们各有利弊。而我们的方法可以这做一点，那做一点，在不同的工艺之间来回切换，兼收各种工艺的优点。你可以利用SLS工艺提高零件的强度，也可以利用SLA（立体光固化成型，另一种3D打印工艺）提高其平滑度和防水性。这些事情可以同时实现。这是一个无人探讨过的领域。我的体会是，许多人都在说3D打印技术是炒作。2015年，它风靡一时。现在没人谈论它。但是根据这项技术上的资金投入量以及与其相关的服务和产品，其增长仍然是指数级的。一旦它从单材料件领域扩展到多材料件领域，所有议论都将烟消云散。那时，它将在更多方面迎来爆发式发展。”