科學(xué)家研發(fā)新型粉末材料，用桌面激光粉末床融合機(jī)器3D打印彩色部件

2020年9月，南極熊獲悉，來(lái)自杜伊斯堡－埃森大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)出一種新型粉末材料，能夠使用桌面激光粉末床融合（LPBF）機(jī)器3D打印彩色部件。

通過(guò)在傳統(tǒng)的熱塑性粉末中引入少量的質(zhì)子銀納米顆粒，研究團(tuán)隊(duì)能夠?qū)⒋蛴?duì)象變成黃色。鑒于目前的桌面LPBF系統(tǒng)只能制造白色或黑色的部件，該團(tuán)隊(duì)的新材料可以為一些現(xiàn)有的打印機(jī)帶來(lái)一抹色彩。

△研究人員研發(fā)的3D打印材料及打印過(guò)程

研究人員在論文中指出：＂目前，桌面激光3D打印機(jī)只能打印黑色物體，在這項(xiàng)研究中，我們提出了一種通過(guò)激光3D打印生產(chǎn)“彩色”部件的新方法。＂

對(duì)新型LPBF 3D打印聚合物的需求

隨著桌面系統(tǒng)的日益普及和3D打印愛(ài)好者采用人數(shù)的增加，對(duì)新的、更有效的聚合物基材料的需求從未如此之高。目前，約90％的可用熱塑性粉末都是聚酰胺基材料，這凸顯了該領(lǐng)域潛在的創(chuàng)新空間。

雖然近年來(lái)有幾種替代材料進(jìn)入市場(chǎng)，但它們往往缺乏現(xiàn)有聚合物的流動(dòng)性、光學(xué)吸收性和熔融特性。例如熱塑性聚氨酯（TPU）是一種具有高耐性的通用材料，但其不利的熱性能使其無(wú)法被桌面系統(tǒng)用戶廣泛采用。

目前，在工藝參數(shù)方面，TPU的局限性只能用CO2激光器來(lái)克服，而這種激光器比現(xiàn)有的激光系統(tǒng)更加復(fù)雜和昂貴。在潛在的替代材料方面，之前的研究也發(fā)現(xiàn)了碳基光熱敏化劑，如碳黑、石墨烯或納米管，是TPU的替代材料。

碳在近紅外光譜中的強(qiáng)吸收性使其與一些更便宜的二極管激光燒結(jié)方法兼容，盡管代價(jià)是顏色為黑色。因此，與那些使用粘結(jié)劑噴射或材料擠出系統(tǒng)的用戶不同，桌面LPBF用戶只能在后處理中為零件添加顏色，這確實(shí)是一個(gè)缺點(diǎn)。

△研究團(tuán)隊(duì)的粉末高SPR峰值意味著它保持了黃色，即使在干燥和篩分之后，圖片來(lái)自《Advanced Optical Materials》雜志

杜伊斯堡團(tuán)隊(duì)的新型銀浸粉

為了克服桌面LPBF的顏色限制，該團(tuán)隊(duì)假設(shè)可以將納米級(jí)光熱敏化劑添加到TPU打印粉末中。雖然之前的研究表明，金在這一作用內(nèi)是有效的，但銀的價(jià)格便宜40倍，而且不易結(jié)塊。

因此，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）過(guò)程中與聚合物微顆?；旌?。所生成的聚合物粉末具有高度分散性，只有輕微的聚集性。此外，由于銀NPs通過(guò)LSPC生成的表面等離子體共振（SPR）397納米的峰值，所產(chǎn)生的膠體是黃色的，而不是黑色或白色。

由于幾乎沒(méi)有質(zhì)子顆粒被吸收到聚合物的表面，該團(tuán)隊(duì)觀察到其顏色在干燥和篩分后沒(méi)有明顯變化。為了充分研究其新型粉末對(duì)LPBF打印的適用性，研究團(tuán)隊(duì)隨后使用445納米的二極管激光器進(jìn)行了一系列評(píng)估。

測(cè)試結(jié)果顯示，該粉末的體積密度比商用TPU低20％，這表明其流動(dòng)性可能因此略差。盡管粉末的流動(dòng)性較差，但該團(tuán)隊(duì)仍繼續(xù)進(jìn)行3D打印一系列樣本對(duì)象。雖然該過(guò)程被證明是可靠的，產(chǎn)生了一些黃色的部件，但它確實(shí)需要比打印傳統(tǒng)的黑色TPU多五倍的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

總之，混合測(cè)試結(jié)果表明，在有效加熱粉末狀聚合物，以及為其添加顏色之間仍需取得平衡。根據(jù)研究人員的說(shuō)法，進(jìn)一步的研究還可以看到他們的生產(chǎn)技術(shù)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，以生產(chǎn)除黃色以外的其他顏色的零件。

△研究人員利用他們的新型質(zhì)子銀注入材料，能夠3D打印出一系列黃色結(jié)構(gòu)（如圖），圖片來(lái)自《 Advanced Optical Materials》

該團(tuán)隊(duì)在他們的論文中總結(jié)道：＂質(zhì)子Ag－TPU粉末的額外著色仍然是可能的，但如果使用碳黑就不可能了，銀納米粒子－聚合物復(fù)合材料在生物、催化和電子領(lǐng)域的應(yīng)用也表現(xiàn)出很高的潛力。＂

研究人員的研究結(jié)果詳見(jiàn)其題為 ＂Plasmonic Seasoning．Giving Color to Desktop Laser 3D Print＂的論文。該論文發(fā)表在《Advanced Optical Materials》雜志上。該報(bào)告由Tim Hupfeld、Andreas Wegner、Meik Blanke、Carlos Do？ate－Buendía、Vladyslav Sharov、Simon Nieskens、Markus Piechotta、Michael Giese、Stephan Barcikowski和Bilal G？kce共同撰寫(xiě)。
責(zé)編AJX