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

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

通過在傳統(tǒng)的熱塑性粉末中引入少量的質(zhì)子銀納米顆粒，研究團隊能夠?qū)⒋蛴ο笞兂牲S色。鑒于目前的桌面LPBF系統(tǒng)只能制造白色或黑色的部件，該團隊的新材料可以為一些現(xiàn)有的打印機帶來一抹色彩。

△研究人員研發(fā)的3D打印材料及打印過程

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

對新型LPBF 3D打印聚合物的需求

隨著桌面系統(tǒng)的日益普及和3D打印愛好者采用人數(shù)的增加，對新的、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。

雖然近年來有幾種替代材料進入市場，但它們往往缺乏現(xiàn)有聚合物的流動性、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，這確實是一個缺點。

△研究團隊的粉末高SPR峰值意味著它保持了黃色，即使在干燥和篩分之后，圖片來自《Advanced Optical Materials》雜志

杜伊斯堡團隊的新型銀浸粉

為了克服桌面LPBF的顏色限制，該團隊假設(shè)可以將納米級光熱敏化劑添加到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，但銀的價格便宜40倍，而且不易結(jié)塊。

因此，該團隊采用了銀膠體納米顆粒（NPs），并在激光合成和膠體加工（LSPC）過程中與聚合物微顆?；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。

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

測試結(jié)果顯示，該粉末的體積密度比商用TPU低20％，這表明其流動性可能因此略差。盡管粉末的流動性較差，但該團隊仍繼續(xù)進行3D打印一系列樣本對象。雖然該過程被證明是可靠的，產(chǎn)生了一些黃色的部件，但它確實需要比打印傳統(tǒng)的黑色TPU多五倍的能量來實現(xiàn)。

總之，混合測試結(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)研究人員的說法，進一步的研究還可以看到他們的生產(chǎn)技術(shù)被開發(fā)出來，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），圖片來自《 Advanced Optical Materials》

該團隊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。
責(zé)編AJX