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无需大型粉末床的多材料选区激光烧结3D打印技术

时间:2020-08-01 21:57 来源:3D科学谷 作者:中国3D打印网 阅读:
极光尔沃

      选区激光烧结(SLS)是广泛使用的增材制造-3D打印技术之一。近年来,SLS 3D打印技术在打印精度和速度方面得到了发展。例如德国 EOS 公司推出了可实现精密、坚固零部件生产的FDR 选区激光烧结技术,通过该技术制造的零件表面拥有精密细节分辨率且最小壁厚仅为 0.22 mm;与 FDR 技术相比,EOS 还推出了旨在最大限度提高生产率的LaserProFusion 选区激光烧结技术,该技术的曝光速度不受组件的几何形状影响,可根据批量生产的要求灵活调整,缩短产品开发时间,在许多应用中甚至可以替代注塑成型。

        选区激光烧结技术革新的另一方向是多材料3D打印。根据3D科学谷的市场研究,哥伦比亚大学工程学院近日发表的最新研究论文“Inverted multi-material laser sintering”研究方向就是基于选区激光烧结进行多材料3D打印,通过一种反转激光的工艺,能够实现两种不同材料的3D打印。本期,3D科学谷将分享这一技术的原理与应用前景。

Video Cover_Laser选区激光烧结多材料3D打印,来源:哥伦比亚大学工程学院

block 无需大型粉末床

        标准选区激光烧结技术的大致工作原理是,激光束在计算机控制下向下对零件截面轮廓内的粉末进行照射加热至粉末材料接近完全熔化状态,随后冷却凝固为固体层。接下来,铺设下一层粉末并重复上述过程,一层又一层的粉末被铺设和烧结,直至形成所需的三维实体零件。

        通过这一打印原理能够较好的完成单一材料的3D打印,但如果在一次打印中使用多种不同材料则变得非常具有挑战性,这是由于一旦粉末层被铺设在打印床中,就很难被移走或更换为其他材料。此外,根据哥伦比亚大学工程学院,在标准选区激光烧结3D打印机中,粉末床中其余未融合的材料始终“包围”着被烧结的区域,直到打印完成后将零件取出并清除多余粉末后才能看出,这意味着在打印完成之前不一定会发现打印失败的情况。

laser_2激光束向上照射玻璃板。来源:哥伦比亚大学工程学院

研究团队采取了一种新的粉末材料烧结方式,这一方式中不再需要标准选区激光烧结设备中的大型粉末床,取而代之的是由打印平台将透明玻璃板放置在一层薄薄的塑料粉末材料上,然后激光束从下方照射粉末,将一层粉末烧结到玻璃板上,接下来如果需要打印另外一种不同的材料,则由打印平台将玻璃板移动到另外一种薄薄的粉末上,仍由激光束从下方照射,并将不同材料烧结到上一层材料表面。这一过程重复进行,直至完成零件的打印。

laser_3TPU 材料3D打印样件。来源:哥伦比亚大学工程学院

     在研究论文中,研究团队展示了通过以上新型选区激光烧结技术3D打印的样件,包括一个单一热塑性聚氨酯(TPU) 材料的样件和一个由TPU和尼龙(PA)材料构成的多材料样件。TPU 样件2.18毫米,共分为50层,平均打印层厚43.6微米,多材料样件平均打印层厚 71微米。这些样件展示了新型选区激光烧结工艺的可行性,同时展示了在烧结时将钢板用力压在玻璃板上从而获得更为致密材料的能力。

laser_1多材料3D打印样件。来源:哥伦比亚大学工程学院

      谈到该技术的应用前景,研究人员表示该技术具有制造嵌入式电路、机电部件甚至是机器人部件的潜力,可能是将选区激光烧结增材制造技术的应用由制造无源器件拓展至制造有源器件的关键。此外,该技术还可以拓展至梯度合金机械零件制造领域,例如制造涡轮叶片,其中一种材料用于制造核心部分,另一种材料用于制造表面涂层。研究人员现在正通过该技术试验金属粉末材料和塑料粉末材料两种应用,旨在将选区激光烧结工艺应用到更广泛的机械、电气、化学性能零部件制造领域。

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    基于选区激光烧结技术对多材料3D打印的探索并非首次出现,欧洲创业企业Aerosint 也开发了对两种不同材料进行选区激光烧结的工艺,但其原理与哥伦比亚工程学院采用的方式不同。Aerosint 采用的是一种称之为“选择性粉末沉积”的技术,该技术也改变了标准选区激光烧结中的铺粉工艺,改为通过可旋转的转鼓沉积粉末材料,在打印过程中,转鼓穿过整个打印区域,每个转鼓沉积一种材料,至少使用两个转鼓来实现多材料沉积。在两种不同材料中,其中一种廉价粉末被用作支撑材料。

       与哥伦比亚大学工程学院的研究团队将粉末床多材料3D打印技术向金属多材料领域拓展一样,Aerosint 也将这类似的技术应用到了选区激光熔化金属3D打印设备中,旨在实现双金属混合3D打印,在今年年初,Aerosint 公布了采用多金属粉末材料沉积技术打印的双金属零件,该零件由316L不锈钢和铜铬锆(CuCrZr)混合嵌套。欧盟地平线2020创新计划中也对多材料金属3D打印技术所有推动。由该技术资助的MULTI-FUN项目成员希望能够3D打印许多以前不可能制造的产品,3D科学谷了解到包括具有高导热性的多材料热交换器与散热器,带有嵌入式电子设备的复杂金属零件。

(责任编辑:中国3D打印网)

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