激光反转实现多材料3D打印

增材制造，或3D打印，使用数字化制造工艺来制造轻质、坚固且不需要特殊工具的部件。在过去的十年里，该领域以每年超过20%的速度经历了惊人的增长，用金属和工程聚合物打印从飞机部件和汽车部件到医疗和牙科植入物等各种零件。选择性激光烧结(SLS)是应用最广泛的制造工艺之一，它使用激光将微米级材料粉末打印出来:激光将颗粒加热到融合在一起形成固体质量的点。

“增材制造是经济弹性的关键，”James和Sally Scapa创新教授(机械工程)Hod Lipson说。“我们所有人都关心这项技术，它将拯救我们。但有一个问题。问题是，SLS技术一次只能打印一种材料:整个部件只能由一种粉末制成。“现在，让我问你，有多少产品是由一种材料制成的?只用一种材料印刷的局限性一直困扰着该行业，阻碍了它的发展，使其无法充分发挥潜力。”

为了解决这一挑战，利普森和他的博士生约翰·怀特黑德(John Whitehead)利用他们在机器人领域的专业知识开发了一种新的方法来克服这些SLS限制。通过反转激光使其指向上方，他们发明了一种使SLS同时使用多种材料的方法。

怀特黑德说:“我们最初的结果令人兴奋，因为它们预示着未来任何部件都可以通过按下按钮来制造，从简单的工具到更复杂的系统，如机器人，都可以从打印机中完全成型，而不需要组装。”

选择性激光烧结传统上涉及到使用激光向下指向加热的打印床将材料颗粒融合在一起。一个固体物体是由下而上构建的，打印机在上面放置一层均匀的粉末，然后用激光选择性地融合该层中的一些材料。然后打印机将第二层粉末沉积在第一层上，激光将新材料融合到前一层的材料上，这个过程一遍又一遍地重复，直到零件完成。

如果在打印过程中只使用一种材料，这个过程就能很好地工作。但是，在单一打印中使用多种材料是非常具有挑战性的，因为一旦粉末层沉积到床上，它就不能被移走，也不能被不同的粉末取代。

“此外，”怀特海德说，“在标准打印机中，因为每一层连续的打印都是均匀的，未融合的材料会模糊你对正在打印的物体的视线，直到你在循环结束时去掉完成的部分。想想挖掘过程，在你完全将化石从周围的泥土中移除之前，你是如何不能确定化石是完整的。这意味着直到打印完成后才会发现打印故障，浪费了时间和金钱。”

研究人员决定找到一种方法来完全消除对粉末床的需求。他们设置了多个透明玻璃板，每个玻璃板上都涂有一层薄薄的不同的塑料粉末。他们在其中一种粉末的上表面放置了一个打印平台，并将激光束从板的下方引导到板的底部。这个过程选择性地将一些粉末烧结到打印平台上，根据虚拟蓝图预先编程的图案。然后，平台与熔融材料一起升起，并移动到另一个板上，涂上不同的粉末，在那里重复这一过程。这允许多种材料被合并到一个单一的层，或堆叠。与此同时，旧的，用完的盘子被补充。

在论文中，该团队通过用平均层高为43.6微米的热塑性聚氨酯(TPU)粉末生成50层厚、2.18毫米的样品，以及平均层高为71微米的多材料尼龙和TPU打印来演示他们的工作原型。这些零件既证明了该工艺的可行性，也证明了在烧结过程中，通过将板硬压在悬挂部分上，可以制造更坚固、更致密的材料。

“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。它可以用梯度合金制造机器零件，这种合金的材料成分从一端到另一端逐渐变化，比如涡轮叶片的核心使用一种材料，而表面涂层使用不同的材料。”“我们认为，这将使激光烧结能够在不组装的情况下制造复杂的多材料部件，从而将激光烧结扩展到更广泛的行业。换句话说，这可能是将增材制造行业从仅打印被动统一部件转向打印主动集成系统的关键。”

研究人员正在试验金属粉末和树脂，以便直接生成具有比目前传统SLS系统更广泛的机械、电气和化学性能的部件。

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