多材料3D打印零件蓄勢待發(fā),，未來發(fā)展大有可期

來源：美國機(jī)械工程師學(xué)會(huì)網(wǎng)站
作者,，Nancy Giges

選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)利用激光來熔化金屬或塑料材質(zhì)的粉末并融合成為3D物體，所制作的零件強(qiáng)度高,、可靠性好,，是工業(yè)界最理想的增材制造方法之一，但某些因素制約其發(fā)揮全部潛力,。目前,，哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)院的研究人員發(fā)明了一種新技術(shù)，有望解決SLS技術(shù)中最大的制約因素,，開辟了利用多種材料制造組件的新方向,，3D打印機(jī)將直接制作出完全成形的復(fù)雜系統(tǒng),。具有機(jī)器人學(xué)術(shù)背景的研究人員應(yīng)該能夠預(yù)見到利用3D打印技術(shù)直接制作各種物體的潛力，從電路板到機(jī)電元件,，甚至是完整的機(jī)器人,。這項(xiàng)新技術(shù)將激光倒置過來熔化和融合微米級(jí)的粉末材料，形成一個(gè)3D物體,。

在傳統(tǒng)的SLS打印中,，激光向下指向打印臺(tái)進(jìn)行加熱，從下向上逐層制作零件,，最終制作完成一個(gè)物體,。這個(gè)過程完成后，需要將零件從其周圍多余的顆粒堆中將“挖”出來,，在大多數(shù)情況下,，這些剩余的顆粒不能再使用。此外,，根據(jù)哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)院教授,、創(chuàng)意機(jī)器實(shí)驗(yàn)室主任Hod Lipson（從事機(jī)器人、人工智能,、數(shù)字設(shè)計(jì)與制造方面的研究）的說法,，這種方法在打印過程中只能使用一種材料，會(huì)造成大量浪費(fèi),，而且粉塵過多,，會(huì)對環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響，甚至可能引發(fā)粉塵爆炸,。

Lipson及其博士生John Whitehead的研究團(tuán)隊(duì)已著手徹底消除粉床,。他們選用熱塑性聚氨酯彈性體橡膠（TPU）和尼龍12聚合物這兩種不同的粉末涂覆玻璃板，在每塊玻璃板上形成一層薄薄的涂層,，然后將打印平臺(tái)降低,，放在其中一塊玻璃板的上表面上。接下來,，從該玻璃板的下方向上投射激光束,。激光根據(jù)預(yù)編程的虛擬設(shè)計(jì)圖，選擇性地將部分粉末燒結(jié)到打印平臺(tái)上,。繼而,，借助熔融材料令平臺(tái)升高，將其移動(dòng)到另一塊玻璃板上,，置放在另一種粉末的頂部或旁邊,，再重復(fù)上述燒結(jié)過程直到零件制作完成。

Lipson說：“我們把燒結(jié)過程顛倒過來,，采用自頂向下的方式制作零件,。這樣做的好處主要是每次燒結(jié)時(shí)只需要撒少量的粉末,，因而粉末用量較小,；其次,，可以使用多種類型的粉末進(jìn)行燒結(jié)，這對于整個(gè)行業(yè)而言是一項(xiàng)可以改變游戲規(guī)則的創(chuàng)新,。許多真實(shí)的東西都是由多種材料構(gòu)成的,。我認(rèn)為這正是整個(gè)行業(yè)所缺失的部分�,！�

上面兩張圖片中,，在一個(gè)SLS打印過程中使用了TPU（白色材料）與尼龍12（黑色材料）這兩種不同的材料。圖片攝影：John Whitehead.

之所以選擇TPU和尼龍這兩種材料進(jìn)行演示,，是因?yàn)樗鼈兊囊曈X對比度好（黑色和白色）,，而且可以用低功率激光進(jìn)行燒結(jié)（出于安全原因）。研究組制作了兩個(gè)樣品,，分別是大約19mm×19mm×0.7mm的陰陽符號(hào)和大約25mm×32mm×0.6mm的蝴蝶,。

Whitehead說：“標(biāo)準(zhǔn)的SLS系統(tǒng)是不可能將這兩種材料組合在一起的�,！�

該研究團(tuán)隊(duì)設(shè)想了這項(xiàng)技術(shù)的一些潛在應(yīng)用領(lǐng)域,。Whitehead舉例說，醫(yī)療植入物“必須是高度定制化的,，而且要與某種已有的幾何形狀或生物組織相吻合，還要相當(dāng)結(jié)實(shí)耐用,。因此,，金屬增材制造技術(shù)較為合適�,！毕乱徊�,，該團(tuán)隊(duì)需要證明這項(xiàng)技術(shù)適用于金屬材料。此外,，還有其他一些計(jì)劃,，比如將電子設(shè)備嵌入到打印件中或是在其中埋入微芯片，這類操作目前只能在3D打印完成之后再做,。

Lipson注意到了這項(xiàng)技術(shù)在制造膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)植入物時(shí)的優(yōu)勢,，他說，植入物的核心部位通常需要使用軟材料,，而外圍則需要包裹硬質(zhì)材料,，以免植入物比骨骼更堅(jiān)硬而導(dǎo)致骨折�,！澳惚仨氉尨蛴〖�適應(yīng)這種情況,，這是一件非常棘手的事,。多材料技術(shù)是個(gè)辦法，不過現(xiàn)在還不行,�,！�

展望未來，該團(tuán)隊(duì)希望將各種不同的方法集成到增材制造技術(shù)中,，并對其前景感到興奮,。Lipson說：“目前你需要選擇是使用粉末或是液體，還是使用擠出式塑料材料（FDM或熔融沉積成型工藝）,。你必須從中選擇某一種,，此后就只能沿著該路線繼續(xù)下去。但它們各有利弊,。而我們的方法可以這做一點(diǎn),，那做一點(diǎn)，在不同的工藝之間來回切換,，兼收各種工藝的優(yōu)點(diǎn),。你可以利用SLS工藝提高零件的強(qiáng)度，也可以利用SLA（立體光固化成型,，另一種3D打印工藝）提高其平滑度和防水性,。這些事情可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)。這是一個(gè)無人探討過的領(lǐng)域,。

“我的體會(huì)是,，許多人都在說3D打印技術(shù)是炒作。2015年,，它風(fēng)靡一時(shí)�,，F(xiàn)在沒人談?wù)撍�。但是根�?jù)這項(xiàng)技術(shù)上的資金投入量以及與其相關(guān)的服務(wù)和產(chǎn)品,，其增長仍然是指數(shù)級(jí)的,。一旦它從單材料件領(lǐng)域擴(kuò)展到多材料件領(lǐng)域，所有議論都將煙消云散,。那時(shí),，它將在更多方面迎來爆發(fā)式發(fā)展�,！�