多材料3D打印零件蓄勢待發(fā)，未來發(fā)展大有可期

來源：美國機械工程師學會網(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，哥倫比亞大學工程學院的研究人員發(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打印機將直接制作出完全成形的復雜系統(tǒng)。具有機器人學術(shù)背景的研究人員應該能夠預見到利用3D打印技術(shù)直接制作各種物體的潛力，從電路板到機電元件，甚至是完整的機器人。這項新技術(shù)將激光倒置過來熔化和融合微米級的粉末材料，形成一個3D物體。

在傳統(tǒng)的SLS打印中，激光向下指向打印臺進行加熱，從下向上逐層制作零件，最終制作完成一個物體。這個過程完成后，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)哥倫比亞大學工程學院教授、創(chuàng)意機器實驗室主任Hod Lipson（從事機器人、人工智能、數(shù)字設計與制造方面的研究）的說法，這種方法在打印過程中只能使用一種材料，會造成大量浪費，而且粉塵過多，會對環(huán)境產(chǎn)生負面影響，甚至可能引發(fā)粉塵爆炸。

Lipson及其博士生John Whitehead的研究團隊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)預編程的虛擬設計圖，選擇性地將部分粉末燒結(jié)到打印平臺上。繼而，借助熔融材料令平臺升高，將其移動到另一塊玻璃板上，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)時只需要撒少量的粉末，因而粉末用量較��；其次，可以使用多種類型的粉末進行燒結(jié)，這對于整個行業(yè)而言是一項可以改變游戲規(guī)則的創(chuàng)新。許多真實的東西都是由多種材料構(gòu)成的。我認為這正是整個行業(yè)所缺失的部分。”

上面兩張圖片中，在一個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行演示，是因為它們的視覺對比度好（黑色和白色），而且可以用低功率激光進行燒結(jié)（出于安全原因）。研究組制作了兩個樣品，分別是大約19mm×19mm×0.7mm的陰陽符號和大約25mm×32mm×0.6mm的蝴蝶。

Whitehead說：“標準的SLS系統(tǒng)是不可能將這兩種材料組合在一起的�！�

該研究團隊設想了這項技術(shù)的一些潛在應用領域。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，還要相當結(jié)實耐用。因此，金屬增材制造技術(shù)較為合適�！毕乱徊�，該團隊需要證明這項技術(shù)適用于金屬材料。此外，還有其他一些計劃，比如將電子設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注意到了這項技術(shù)在制造膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)植入物時的優(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硬而導致骨折�！澳惚仨氉尨蛴〖�適應這種情況，這是一件非常棘手的事。多材料技術(shù)是個辦法，不過現(xiàn)在還不行�！�

展望未來，該團隊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，那做一點，在不同的工藝之間來回切換，兼收各種工藝的優(yōu)點。你可以利用SLS工藝提高零件的強度，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。這些事情可以同時實現(xiàn)。這是一個無人探討過的領域。

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