研究

哥伦比亚大学的研究人员开发了一种多材料SLS 3D打印新方法

的研究人员哥伦比亚大学工程学院展示了一种新颖的选择性激光烧结(SLS) 3D打印工艺,该工艺允许多种粉末在同一打印运行中烧结。

通过将SLS 3D打印机内的激光反向,使其指向上方,并用玻璃板取代粉床盒,研究人员能够同时打印多种材料。该团队的新技术使他们能够在同一层中制造包含两种不同聚合物的增强型工作原型。随着进一步的发展,该工艺可以用于制造一系列多材料部件,从嵌入式电路板到机器人部件。

“我们的初步结果令人兴奋,”与Hod Lipson共同撰写这项研究的John Whitehead说。怀特黑德解释说:“这预示着未来任何部分都可以按下一个按钮就能制造出来,从简单的工具到更复杂的系统,比如机器人,都可以从完全成型的打印机上取出,而不需要组装。”

“仅用一种材料印刷的局限性一直困扰着这个行业,阻碍了它的扩张,阻碍了它充分发挥潜力。”

多材料SLS生产的局限性

传统上,激光烧结的工作原理是使用向下定向的激光器将微尺度的材料颗粒融合在一个粉末床内。一系列材料与SLS 3D打印工艺兼容,包括热塑性塑料和金属生产耐用的最终使用部件。

虽然激光烧结的灵活性在航空航天和国防工业中有许多应用,但其生产方法仍存在缺陷。例如,为了便于颗粒烧结,SLS工艺要求将整个粉末床加热到接近熔化的温度。这种环境加热可能导致化学和物理变化,对材料的可预测性产生负面影响,导致未熔合的粒子。

此外,在打印过程中,没有烧结的粉末支持零件,不需要专用的支撑结构,这也使得监控过程具有挑战性,因为打印隐藏在一个粉末蛋糕中。因此,如果构建失败且没有进行进程内监视,则可能只在进程结束时才发现缺陷。

怀特黑德解释说:“在标准打印机中,由于连续的每一层都是均匀的,未融合的材料遮挡了被打印物体的视线,直到你在循环结束时删除已完成的部分。”“这意味着,在打印完成之前,不一定会发现打印失败,这浪费了时间和金钱。”

此外,目前的SLS技术主要只允许一次烧结一种材料,这限制了其制造梯度合金和多材料聚合物部件的能力。以前的方法用真空的二次粉末替代了未烧结的材料,但是这种方法的交叉污染仍然是一个问题。

研究二人小组的ILS 3D打印技术(如图所示)允许在一个组件的构造中使用不止一种粉末。照片经由哥伦比亚大学拍摄。
研究二人小组的ILS 3D打印技术(如图所示)允许在一个组件的构造中使用不止一种粉末。照片经由哥伦比亚大学拍摄。

反向激光烧结3D打印

因此,研究人员发明了一种新的3D打印技术,他们称之为反向激光烧结(ILS)。这种新方法通过引导打印机的激光垂直向上穿过硼硅酸盐玻璃进入一层薄薄的粉末,将材料的粒子烧结在一起。

ILS首先在玻璃上沉积一定量的聚合物粉末。然后将衬底压在未熔化的粉末单层的顶部,使用蓝色激光选择性地将颗粒材料熔化到其上。一旦过程完成,基材被提升,材料就可以被补充。然后重复这个过程,不断地将新图层融合在一起,直到创建一个3D对象。

使用多种玻璃板可以使用多种不同的粉末,这使得能够生产分级和多重材料部件。更重要的是,烧结粉末分别防止它们混合,因为它们是一种传统的粉末床方法。虽然在团队的测试期间没有实施清洁过程,但它也可以集成到ILS中。通过在多张印刷床之间运输印刷部分,能够在打印暂停之间移除松散的粉末。

哥伦比亚大学的研究人员制作了一个有50层(如图)的原型部件,它比传统的SLS打印显示出更均匀的厚度。照片经由哥伦比亚大学拍摄。
哥伦比亚大学的研究人员制作了一个有50层(如图)的原型部件,它比传统的SLS打印显示出更均匀的厚度。照片经由哥伦比亚大学拍摄。

新SLS方法的未来应用

为了测试他们的新生产方法,研究团队使用Sinterit白色TPU和Sintratec PA12热塑性材料的混合物,创造了一个50层厚,2.18毫米的样品。该部件的平均层厚约为71 μm,比传统SLS 3D打印制造的厚度更均匀。其各层的高度为43.6 μm,完全符合普通激光烧结印刷品的标准要求。

因此,研究人员得出结论,他们的工艺的可行性及其制造更强、密度更大的材料的能力已经得到了证实。未来,哥伦比亚团队的目标是为ILS设计一种改进的打印机设置,包括自动粉末沉积和优化的激光参数,此外还将对更广泛的材料进行实验。通过进一步的研究,该项目的合作研究员Hod Lipson相信,这种方法最终可以应用于生产多种多样的材料成分。

“这项技术有潜力打印嵌入式电路、机电组件,甚至机器人组件,”利普森说。“我们认为,这将使激光烧结能够在不需要组装的情况下制造复杂的多材料部件,从而将激光烧结推向更广泛的行业。换句话说,这可能是将增材制造行业从仅印刷无源统一部件,转向印刷主动集成系统的关键。”雷电竞充值

推进SLS增材制造雷电竞充值

近年来,许多增材制造公司雷电竞充值都采取了自己的方法来优化SLS打印。这些3D打印雷电竞app下载机通常与传统的SLS机器相似,它们从下往上将粉末分层熔化,但它们还具有增强的监测功能和材料兼容性。

目前的一种选择来自3D打印机制造商Aerosint与他们的多粉SLS打印替代命名为“选择性粉末沉积”。该公司的方法包括一个粉末分配器和图案桶,有选择地以逐行方式沉积细粉末。该技术可用于制造多金属3D打印部件。

德国3D打印机OEMEOS,建立在几十年的数据,了解建造室计量和开发其专利EOSTATE进程内的监控套件。该技术使用一个集成摄像头在打印过程中拍摄建筑区域的照片,并在每一层形成后识别出任何不规则之处。使用捕获的图像,可以快速识别不均匀或不完整的层,使用户能够停止处理并纠正任何问题。

在其他地方,瑞典公司Wematter该公司推出了名为SLS的新型3D打印机重力2020去年11月。该系统为云服务,能够对其内置传感器和电子设备进行监控和过程控制。利用它的集成摄像头,它可以提供实时视频,用户可以实时跟踪已经打印的层数。

研究人员的研究结果详细发表在他们题为《反向多材料激光烧结该研究发表在《增材制造》杂志上。雷电竞充值该论文由John Whitehead和Hod Lipson共同撰写。

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特色图片显示了研究duo的ILS 3D打印技术,允许一种以上的粉末用于一个部分的建设。照片经由哥伦比亚大学拍摄。

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