一種集成熔絲制造和激光粉末床熔融的3D打印

供稿人:楊帆、高琳
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

金屬和聚合物作為工程和醫(yī)療行業(yè)最常用的材料，二者的混合結(jié)構(gòu)常用于汽車、飛機(jī)、電子產(chǎn)品和醫(yī)療植入物中。然而，傳統(tǒng)的機(jī)械緊固、粘接、焊接等加工方法，都具有一定的局限性，如裝配時(shí)間長(zhǎng)、成本高、幾何設(shè)計(jì)靈活性低等。3D打印技術(shù)可以很好地解決這一問(wèn)題，通過(guò)逐層添加材料的方式，可生產(chǎn)定制的具有復(fù)雜幾何形狀的金屬/聚合物組件。

熔絲制造技術(shù)（FFF）可用于金屬的3D打印，激光粉末床熔融技術(shù)（PBF）可用于聚合物的3D打印。英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的研究人員將這兩種技術(shù)相結(jié)合，引入特別設(shè)計(jì)的機(jī)制和操作程序，提出了一種混合多材料3D打印系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)的操作流程如圖2所示。研究中使用的金屬材料為316L不銹鋼氣霧化球形粉末和Cu10Sn銅合金球形粉末，底層材料為304鋼制圓筒板和砌塊，聚合物材料為聚乳酸(PLA)和聚對(duì)苯二甲酸乙酯(PET)長(zhǎng)絲。

圖1 混合多材料3D打印系統(tǒng)原理圖

圖2 熔絲制造與粉末床熔融集成系統(tǒng)的操作流程

研究人員利用這一集成系統(tǒng)，成功打印出了由金屬和聚合物組成的復(fù)雜二維和三維幾何元件，并且通過(guò)激光熔覆和再熔，可對(duì)聚合物的粗糙表面進(jìn)行局部控制和加工。通過(guò)掃描電子顯微鏡和能譜分析技術(shù)進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)金屬/聚合物界面無(wú)明顯缺陷，表明聚合物在宏觀和微觀力學(xué)結(jié)構(gòu)中均滲透良好，拉伸試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)也證明了金屬/聚合物部件的良好連接強(qiáng)度。此外，研究人員還嘗試用激光在聚合物基板上熔化金屬。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所有層的銅粉都應(yīng)用激光熔覆在聚合物基板的頂部，且掃描參數(shù)應(yīng)該不斷變化，前幾層所需能量較低，后續(xù)層所需能量更高，以防止對(duì)聚合物基材造成嚴(yán)重破壞。

這項(xiàng)技術(shù)可應(yīng)用在電子器件制造領(lǐng)域，通過(guò)聚合物與導(dǎo)電材料的集成來(lái)打印各種電子元件。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，研究人員開發(fā)了一種3D打印的金屬/聚合物植入物，將裝載抗生素的可降解聚合物嵌入金屬植入物中，具有可控的藥物傳輸特性，用于局部供藥。類似地，我們還可以采用其他材料體系，如金屬基復(fù)合材料和增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料等進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品的加工制造，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

參考文獻(xiàn)：
Chueh Y-H, Wei C, Zhang X, Li L. Integrated laser-based powder bed fusion and fused filament fabrication for three-dimensional printing of hybrid metal/polymer objects. Additive Manufacturing. 2020;31.