增材制造或稱3D打印會采用數(shù)字化制造工藝，生產(chǎn)既輕又堅(jiān)固的部件，而且無需采用特殊模具進(jìn)行生產(chǎn)。在過去十年間，3D打印以每年超20%的增長率快速增長，用金屬和工程聚合物打印出飛機(jī)部件、汽車部件、醫(yī)療和牙科植入物等各種部件。其中，選擇性激光燒結(jié)(SLS)是最常用的制造工藝之一，可以利用激光將微米大小的材料粉末打印出部件：激光將顆粒加熱至一定的溫度，再熔合成固體。
據(jù)外媒報(bào)道，美國哥倫比亞大學(xué)工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(Columbia University School of Engineering and
Applied Science)創(chuàng)新(機(jī)械工程)系James和Sally Scapa教授Hod
Lipson表示：“增材制造是經(jīng)濟(jì)恢復(fù)的關(guān)鍵，但問題是，SLS技術(shù)一次只能打印一種材料：整個(gè)部件都由一種粉末制成。那么，有多少產(chǎn)品是僅由一種材料制成的呢?這一點(diǎn)限制了該工藝的發(fā)展。”
為了解決這一挑戰(zhàn)，Lipson與其手下的博士生John
Whitehead利用在機(jī)器人技術(shù)方面的專業(yè)知識研發(fā)了一種新方法以克服SLS技術(shù)的局限性。通過將激光倒置，讓其指向上方，研究人員研發(fā)了一種方法，讓SLS技術(shù)可以同時(shí)使用多種材料生產(chǎn)部件。
一般而言，選擇性激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)會采用一個(gè)指向下方加熱打印床的激光，將材料顆粒熔合在一起。一個(gè)固體打印物就是由下至上打印而成的，打印機(jī)上均勻地放一層粉末，并利用激光選擇性地熔合這一層粉末中的一些材料。然后，打印機(jī)在第一層上沉積第二層粉末，激光將新材料熔合到前一層的材料上，持續(xù)這一過程直到完成部件。
如果在打印時(shí)只采用一種材料，SLS工藝會效果很好。但是在單次打印中采用多種材料極具挑戰(zhàn)性，因?yàn)橐坏┓勰映练e在打印床上，就不能被移開，或者被另一種粉末取代。
此外，在標(biāo)準(zhǔn)的打印機(jī)中，因?yàn)槊恳粚臃胖玫牟牧隙际且粯拥模慈酆显谝黄鸬牟牧蠒屓丝床磺逭诖蛴〉奈矬w，直到打印循環(huán)結(jié)束移開完成打印的部件才能看到。這也意味著，在打印完成之前，并不一定能夠發(fā)現(xiàn)打印失敗了，從而會浪費(fèi)時(shí)間和金錢。
研究人員決定找到一種完全不需要粉末打印床的方法。他們設(shè)置了多個(gè)透明的玻璃板，在每個(gè)板上都涂有一層薄薄的不同類型的塑料粉末。然后，將一個(gè)打印平臺放在其中一種粉末表面上方，引導(dǎo)一束激光從底面向上穿過底部。該工藝根據(jù)虛擬藍(lán)圖，可以選擇性地將打印平臺上的一些粉末以預(yù)先編程好的模式燒結(jié)。然后，該平臺被熔融材料抬高，移到另一個(gè)涂有不同粉末的平板上，再重復(fù)這一過程。整個(gè)工藝可以讓不同的材料要么合并成一層，要么堆疊在一起。與此同時(shí)，舊的、用過的平板又不斷被填滿粉末。
研究人員展示了其打印的產(chǎn)品原型，用平均層高43.6微米的熱塑性聚氨酯(TPU)粉末打造了一個(gè)50層厚、2.18毫米的樣品，還用平均層高71微米的多材料尼龍和TPU打印出部件。此類部件既證明了該工藝的可行性，也證明了在燒結(jié)過程中通過向懸掛部件擠壓平板，可以打造出更堅(jiān)固、更致密的材料。
現(xiàn)在，研究人員還在利用金屬粉末和樹脂進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以便直接制成比用SLS系統(tǒng)制成的種類更多的機(jī)械、電氣和化學(xué)部件。
