江苏激光联盟导读：

据美国哥伦比亚大学工程学院官网近日报道，该校研究人员发明了一项新技术，有望改变增材制造工艺，打印电路板、机电元件甚至可能是机器人。

图形摘要

在过去的十年中，增材制造（AM）领域经历了持续增长，年增长率超过20％。激光烧结（LS）是工业过程中使用最广泛的增材制造方法，并在该增长中占最大比例。传统上，LS的工作原理是使用向下定向的激光将粉末床内的微型材料颗粒烧结在一起，以生成成品零件。零件是由一层又一层的颗粒组成的，未烧结的颗粒作为支撑部件，用于印刷部件的任何较薄或悬垂的部分。

LS工艺可以适应多种材料，包括各种热塑性塑料和金属，并且通常比其他AM工艺生成的零件强度更高更耐用。LS还可以制造复杂度高的各种几何结构，例如晶格，而使用其他AM工艺则很难制造。此外，与大多数其他AM工艺相反，在LS机器上生成的零件可用作功能性最终用途零件。这些优势使LS工艺能够对包括国防、生物医学和航空航天在内的行业的各个领域进行改革创新。

尽管在整个行业范围内都采用了传统的LS工艺，但它仍具有几个主要缺点。首先，LS工艺需要完整的粉末床，该粉末床经常被加热到接近融化的温度，以便于颗粒烧结。这种环境加热会引起化学和物理变化，从而对材料的可预测性产生负面影响，导致未融合的颗粒被扔掉或需要输入未加热的材料才能使用。其次，未熔融粉末床有时需要支撑零件，但不利之处在于使打印零件难以全面监控。虽然某些先进的LS系统使用光学反馈，但它们只能监视印刷零件的裸露上表面，而不会检测到在覆盖的下层发生的翘曲。这将进一步加剧传统LS工艺产生的浪费，因为任何无法正确打印的零件将被丢弃并重新打印，从而浪费了失败打印所用的材料。

LS工艺的另一个主要缺点是，它们通常一次只能烧结一种材料。

由于可用材料的种类繁多，成功的多材料增材制造工艺将具有广泛的实际应用，例如梯度合金的开发。之前的研究集中在开发用于激光烧结设备的多材料AM方法，或者通过使用真空用第二粉末替换给定层中的未烧结材料，或者通过使用单独的沉积装置(通常是第二真空装置)放置具有待填充材料的空间的初始层。然而，广泛的分析表明，使用该方法未烧结材料从一种材料转成另一种材料一个持续存在的问题。用于多材料激光烧结的其他方法包括LENS / DED工艺，该工艺可将多种粉末喷射到激光束的焦点上。LENS工艺具有许多优点，包括能够向现有零件添加材料并符合现有复杂的几何形状，但是由于粉末在喷涂后不易分离或回收，因此在粉末使用中通常是浪费的。当前正在开发其他方法，该方法将允许进行多种材料的打印，但尚未在市场上销售，并且将要求用户购买特殊的粉末以专门用作支撑结构。

本文研究人员提出了一种LS工艺设计，该工艺通过将激光垂直向上引导通过打印床下面的硼硅酸盐玻璃板将粉末烧结成一层薄粉末。我们称此过程为反向激光烧结（ILS）。ILS的第一步包括在玻璃的上表面涂上脱模剂，然后在玻璃的顶部沉积一定量的材料，然后通过振动将粉末均匀地分布以形成单层。可以使用真空设备去除多余的材料，因为脱模剂会捕获单层粉末。

激光束向上透过玻璃。图片来源：John Whitehead /哥伦比亚

接下来，将基板压在未熔融粉末单层的顶部，然后使用蓝色激光将微粒材料选择性地熔合到玻璃板上。最后，提起玻璃板，并补充粉状玻璃板上的材料。可以重复此过程，将新的材料层融合到先前的材料层，直到完成打印为止。

注意事项：由于研究人员使用蓝色激光，有效吸收蓝光的基材、热活化的粘合剂是确保初始印刷层与平台粘合的关键。

研究人员开发了一种将两种热塑性聚合物融合到单层中的系统。对于激光器设置，他们使用了2.8 W的蓝色激光器（445 nm，J Tech Photonics），在1.25A的电流下调至1.3 W，以增加系统的寿命并减少热量的产生。激光由Arduino Uno控制的一组反射镜检流计（Seeed Studios）引导到预定的烧结位置。没有选择标准的CO 2激光器，因为它会与选择的透明玻璃相互作用，而蓝色激光器直接透射到材料中。

其工作原理是这样的：

需要两种不同的粉末来使研究人员展示3D打印机的多材料打印功能。选择的第一个是尼龙12，也称为PA12（深灰色，Sintratec Ltd）。选择该材料的原因有三个。首先，PA12是一种常用且广泛使用的LS材料，这使得粉末更容易在商业上少量发现（〜2 L容器）。其次，PA12是一种热塑性材料，这意味着与玻璃或金属粉末相比，该粉末具有相对较低的烧结温度（〜176°C）。如此低的熔融温度对研究人员的测试尤为重要，因为他们没有利用加热的打印环境。因此，目前他们无法从初始温度基准升高中受益。第三，PA12已用于现有的商用台式LS打印机中，该打印机以传统的向下配置结合了蓝色激光。白色TPU（Sinterit）是第二选择的材料。进行此选择的原因是色差，这使得印刷部件中两种材料之间的区别在视觉上显而易见，而且TPU的熔化温度（〜160°C）与尼龙相当。在这项工作中，必须具有可比的熔化温度，因为研究人员在所有测试期间都保持激光功率不变。但是，在未来的实验中改变激光器的工作功率将允许使用更多的材料。

通过此工艺生成的多材料样本

视频演示

除了多材料印刷品外，研究人员还使用具有圆形烧结图案的TPU粉末生成了多层，单材料印刷品（如下图）。该印刷品由50层组成，平均外径约为20毫米，内径约为4毫米。该打印件的总高度为2.18毫米。这导致平均层高度为43.6μm。使用5 ms的时间延迟，连续的圆差（a）为20和1度的角距（b）生成此样本。由于输入形状参数应该已经形成了一个完美的圆，因此可以清楚地看到由于玻璃折射引起的微小变形。

倒置的50层烧结样品（a）顶视图（b）底视图（c）轮廓视图

这项技术有可能打印嵌入式电路、机电元件，甚至机器人元件，”Lipson说。“它可以制造具有分级合金的机器零件，其材料成分从头到尾逐渐变化，比如涡轮叶片，核心使用一种材料，表面涂层使用不同的材料。

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本文来源：DOI:10.1016/j . addma . 2020.101440

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