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。
（圖片來源：哥倫比亞大學(xué)）
據(jù)外媒報道，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)會采用一個指向下方加熱打印床的激光，將材料顆粒熔合在一起。一個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，因為一旦粉末層沉積在打印床上，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，因為每一層放置的材料都是一樣的，未熔合在一起的材料會讓人看不清正在打印的物體，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)時間和金錢。
（圖片來源：哥倫比亞大學(xué)）
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)置了多個透明的玻璃板，在每個板上都涂有一層薄薄的不同類型的塑料粉末。然后，將一個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，移到另一個涂有不同粉末的平板上，再重復(fù)這一過程。整個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，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)行實驗，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。
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