激光向上照射，全新SLS激光烧结技术实现多材料打印

南极熊导读：选择性激光烧结（SLS）3D打印技术获得重大突破!

选择性激光烧结（SLS）是最广泛使用的3D打印制造工艺之一，它使用激光从微米级的材料粉末中3D打印出零件：激光将聚合物材料颗粒加热熔化，融合粘结，层层堆叠而成。

△传统的SLS激光烧结工艺

然而，SLS技术也有自己的弊端，它一次只能用单一材料打印，不能同时打印多种材料。以前，选择性激光烧结使用激光向下照射到打印床，将材料颗粒融合在一起。物体是由下而上构建的，打印机铺一层均匀的粉末，并使用激光选择性地熔合该层中的材料。然后在第一层粉末上沉积第二层粉末，激光将新的材料与前一层的材料融合，这个过程不断重复，直到零件完成。

如果在打印过程中只使用一种材料，这个过程的效果很好。但要在一次打印中使用多种材料的话，一直非常具有挑战性，因为一旦粉末层沉积到粉末床上，就不能取消放置，或者用不同的粉末替换。

2020年7月28日，南极熊获悉，有一个机器人工程师团队，现在开发出一种新的方法来克服这一弊端。通过反转激光方向，向上照射，使SLS能够同时使用多种材料。

△通过激光向上照射，实现多材料SLS 3D打印

那么这项技术究竟是通过什么原理来实现SLS多材料打印的呢？通过这个视频可以非常清晰的看明白。

△视频：通过激光向上照射，实现多材料SLS 3D打印

哥伦比亚大学工程与应用科学学院Lipson教授和他的博士生John Whitehead，利用他们在机器人方面的专业知识，通过将激光器倒置，使SLS能够同时使用多种材料。他们的样机，以及在同一层中包含两种不同材料的打印样品，最近被《Additive Manufacturing》在线发表。

其工作原理是这样的：

△原型样机是这样的，激光器在下方，通过振镜将激光导向上方的成型区

△在成型区铺一层粉末材料，放上成型平台，压上一个砝码

△激光烧结粉末材料

△取下平台，上面就是烧结了一层粉末形成的零件层，如此重复烧结，层层堆叠可以得到这样一个零件

△单一粉末材料3D打印的零件

另外，如果用两个粉末平台不断切换，就可以打印出两种材料的零件。研究人员设置了多块透明玻璃板，每块玻璃板上都涂有不同的一层薄薄的塑料粉末。他们将一个打印平台降到其中一个粉末的上表面，并将激光束从板子下面射上去，穿过板子的底部。根据模型数据设定的路径，把粉末烧结熔化到平台上。然后将平台与熔融材料一起升起，并移动到另一块涂有不同粉末的板子上。重复这一过程。
这样一来，就可以将多种材料融合成一层，或者叠加在一起。同时，用完的上一板也会补充材料。

△将平台放在不同的粉末上打印烧结，就可以得到一个两种材料的零件

在论文中，研究人员通过用平均层高为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打印件，展示了他们的工作原型。这些零件既证明了工艺的可行性，也证明了在烧结时将板子用力压在悬挂的零件上，可以制造出更强、更密的材料。

△两种材料打印出的零件

第一作者Whitehead说："我们的初步结果很令人兴奋，因为它们意味着一个未来，更多的零件可以一键制造出来，从简单的工具到更复杂的系统（如机器人）的物体，都可以从打印机中生成，而不需要组装。"


Lipson指出："这项技术有可能打印嵌入式电路、机电部件，甚至机器人部件。它可以制造具有分级合金的机器零件，材料成分从头到尾逐渐变化，例如涡轮叶片的核心使用一种材料，表面涂层使用不同的材料。我们认为，这将使激光烧结向更广泛的行业扩展，无需组装就能制造复杂的多材料零件。换句话说，这可能是使增材制造行业从只打印单一材料部件，转向打印主动集成系统的关键。"

除了SLS激光烧结聚合物材料，南极熊了解到，研究人员正在尝试使用金属粉末和树脂，以便直接生成具有更广泛的机械、电气和化学性能的零件。