研究人員開發(fā)了3D打印彩色零件的新型TPU粉末

通過在傳統(tǒng)的熱塑性粉末中引入少量的等離子銀納米粒子，研究小組能夠在一系列3D打印部件中加入黃色。考慮到當(dāng)前的臺(tái)式LPBF系統(tǒng)僅能夠制造白色或黑色的組件，該團(tuán)隊(duì)的新型樹脂可以為許多現(xiàn)有打印機(jī)帶來一抹亮色。

研究人員在論文中說：“在可見光或近紅外范圍內(nèi)，使用廉價(jià)和緊湊的二極管激光器來進(jìn)行低通濾波是非常理想的，但目前只有黑色物體可以通過臺(tái)式激光打印機(jī)打印出來。在這項(xiàng)研究中，我們提出了一種通過激光3D打印生產(chǎn)有色零件的新方法。”

對(duì)新型LPBF 3D打印聚合物的需求

隨著臺(tái)式機(jī)系統(tǒng)的日益普及和3D打印愛好者的采用，新型、更有效的聚合物基材的需求*地高漲。當(dāng)前，大約90％的可用熱塑性粉末是基于聚酰胺的，這強(qiáng)調(diào)了該領(lǐng)域創(chuàng)新的潛在空間。

盡管近年來有幾種替代材料投放市場(chǎng)，但它們通常缺乏現(xiàn)有樹脂的流動(dòng)性，光吸收和熔融特性。例如，熱塑性聚氨酯（TPU）是一種具有高電阻品質(zhì)的通用材料，但是其不良的熱性能阻礙了其被臺(tái)式系統(tǒng)用戶廣泛采用。

目前，就工藝參數(shù)而言，只有使用CO2激光器才能克服TPU的局限性，而CO2激光器比現(xiàn)有的基于激光系統(tǒng)更為復(fù)雜和昂貴。關(guān)于潛在的替代材料，先前的研究還確定了基于碳的光熱敏化劑，例如炭黑，石墨烯或納米管，可以替代TPU。

碳在近紅外光譜中的強(qiáng)吸收性使其與許多便宜的二極管激光燒結(jié)方法兼容，盡管其代價(jià)是使產(chǎn)品發(fā)黑。所以，與使用膠粘劑噴射或材料擠出系統(tǒng)的用戶不同，臺(tái)式LPBF用戶只能在后處理中為零件添加顏色，這是一個(gè)真正的缺點(diǎn)。

杜伊斯堡小組的新型3D打印粉末

為了克服臺(tái)式LPBF的顏色限制，研究小組假設(shè)可以在3D打印TPU粉末中添加納米級(jí)光熱敏化劑。盡管先前的研究表明，金在這種作用下是有效的，但銀的價(jià)格卻便宜40倍，并且不易結(jié)團(tuán)。

所以，該團(tuán)隊(duì)采用了銀膠體納米顆粒（NPs），并在激光合成和膠體加工（LSPC）工藝中將它們與聚合物微粒混合。所得的聚合物粉末具有高分散性，只有很少的聚集。另外，由于通過LSPC生成的銀膠體納米顆粒的表面等離子體共振（SPR）峰為397 nm，因此所得的膠體為黃色，而不是黑色或白色。

由于幾乎沒有等離子體粒子被吸收到聚合物表面上，該小組觀察到干燥和篩分后其顏色沒有明顯變化。為了全面研究其新型粉末對(duì)LPBF打印的適用性，研究團(tuán)隊(duì)隨后使用445 nm的二極管激光器進(jìn)行了一系列評(píng)估。

測(cè)試表明，該粉末的堆積密度比市售TPU低20％，表明其流動(dòng)性可能因此而稍差。盡管粉末的流動(dòng)性較差，但該團(tuán)隊(duì)還是繼續(xù)進(jìn)行3D打印一系列樣品的工作。盡管該過程證明是可靠的，可以產(chǎn)生許多黃色部分，但與印刷傳統(tǒng)的黑色TPU相比，它確實(shí)需要多消耗五倍的能量。

總之，混合測(cè)試結(jié)果表明，材料*仍然需要在有效加熱粉末狀聚合物和為其增色之間取得平衡。根據(jù)研究人員的說法，進(jìn)一步的研究可能會(huì)關(guān)注開發(fā)，生產(chǎn)除黃色以外的其他顏色的零件。

該團(tuán)隊(duì)在論文中總結(jié)道：“等離子Ag-TPU粉末仍然可以著色，但是如果使用炭黑則不能。銀納米顆粒-聚合物復(fù)合材料在生物學(xué)，催化和電子領(lǐng)域也顯示出很高的應(yīng)用潛力。”

完善LPBF 3D打印流程

LPBF增材制造得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在臺(tái)式系統(tǒng)中，許多組織正在努力優(yōu)化工藝以適合重型應(yīng)用。

荷蘭金屬3D打印機(jī)供應(yīng)商Additive Industries正在與Fraunhofer研究所合作，以加快LPBF在工業(yè)批量生產(chǎn)中的實(shí)施。基于Twente大學(xué)的合作伙伴關(guān)系正在分析過程的各個(gè)方面，以鼓勵(lì)LPBF整合到現(xiàn)有的工業(yè)過程鏈中。

固態(tài)金屬3D打印專家Fabrisonic與EWI和Luna Innovations合作，為LPBF增材制造工藝構(gòu)建了智能基板。該設(shè)備的設(shè)計(jì)可防止零件在打印過程中因粘接板上的殘余應(yīng)力而脫落或剝離。

全球標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)商ASTM International當(dāng)前正在為LPBF 3D打印方法開發(fā)特定的標(biāo)準(zhǔn)。前瞻性認(rèn)證將尋求評(píng)估裝配零件的質(zhì)量以及制造零件的LPBF系統(tǒng)的性能。

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