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新型粉末材料:能够使用桌面激光粉末床融合机器3D打印彩色部件

作者: cnpim CNPIM 09月15日

2020年9月,来自杜伊斯堡-埃森大学的研究人员开发出一种新型粉末材料,能够使用桌面激光粉末床融合(LPBF)机器彩色部件。

通过在传统的热塑性粉末中引入少量的质子银纳米颗粒,研究团队能够将打印对象变成黄色。鉴于目前的桌面LPBF系统只能制造白色或黑色的部件,该团队的新材料可以为一些现有的打印机带来一抹色彩。

△研究人员研发的3D打印材料及打印过程

研究人员在论文中指出:"目前,桌面激光3D打印机只能打印黑色物体,在这项研究中,我们提出了一种通过激光3D打印生产“彩色”部件的新方法。"

对新型LPBF 3D打印聚合物的需求 

随着桌面系统的日益普及和3D打印爱好者采用人数的增加,对新的、更有效的聚合物基材料的需求从未如此之高。目前,约90%的可用热塑性粉末都是聚酰胺基材料,这凸显了该领域潜在的创新空间。

虽然近年来有几种替代材料进入市场,但它们往往缺乏现有聚合物的流动性、光学吸收性和熔融特性。例如热塑性聚氨酯(TPU)是一种具有高耐性的通用材料,但其不利的热性能使其无法被桌面系统用户广泛采用。

目前,在工艺参数方面,TPU的局限性只能用CO2激光器来克服,而这种激光器比现有的激光系统更加复杂和昂贵。在潜在的替代材料方面,之前的研究也发现了碳基光热敏化剂,如碳黑、石墨烯或纳米管,是TPU的替代材料。

碳在近红外光谱中的强吸收性使其与一些更便宜的二极管激光烧结方法兼容,尽管代价是颜色为黑色。因此,与那些使用粘结剂喷射或材料挤出系统的用户不同,桌面LPBF用户只能在后处理中为零件添加颜色,这确实是一个缺点。

△研究团队的粉末高SPR峰值意味着它保持了黄色,即使在干燥和筛分之后,图片来自《Advanced Optical Materials》杂志

杜伊斯堡团队的新型银浸粉

为了克服桌面LPBF的颜色限制,该团队假设可以将纳米级光热敏化剂添加到TPU打印粉末中。虽然之前的研究表明,金在这一作用内是有效的,但银的价格便宜40倍,而且不易结块。

因此,该团队采用了银胶体纳米颗粒(NPs),并在激光合成和胶体加工(LSPC)过程中与聚合物微颗粒混合。所生成的聚合物粉末具有高度分散性,只有轻微的聚集性。此外,由于银NPs通过LSPC生成的表面等离子体共振(SPR)397纳米的峰值,所产生的胶体是黄色的,而不是黑色或白色。

由于几乎没有质子颗粒被吸收到聚合物的表面,该团队观察到其颜色在干燥和筛分后没有明显变化。为了充分研究其新型粉末对LPBF打印的适用性,研究团队随后使用445纳米的二极管激光器进行了一系列评估。

测试结果显示,该粉末的体积密度比商用TPU低20%,这表明其流动性可能因此略差。尽管粉末的流动性较差,但该团队仍继续进行3D打印一系列样本对象。虽然该过程被证明是可靠的,产生了一些黄色的部件,但它确实需要比打印传统的黑色TPU多五倍的能量来实现。

总之,混合测试结果表明,在有效加热粉末状聚合物,以及为其添加颜色之间仍需取得平衡。根据研究人员的说法,进一步的研究还可以看到他们的生产技术被开发出来,以生产除黄色以外的其他颜色的零件。

△研究人员利用他们的新型质子银注入材料,能够3D打印出一系列黄色结构(如图),图片来自《 Advanced Optical Materials》

该团队在他们的论文中总结道:"质子Ag-TPU粉末的额外着色仍然是可能的,但如果使用碳黑就不可能了,银纳米粒子-聚合物复合材料在生物、催化和电子领域的应用也表现出很高的潜力。"

研究人员的研究结果详见其题为 "Plasmonic Seasoning.Giving Color to Desktop Laser 3D Print"的论文。该论文发表在《Advanced Optical Materials》杂志上。该报告由Tim Hupfeld、Andreas Wegner、Meik Blanke、Carlos Do?ate-Buendía、Vladyslav Sharov、Simon Nieskens、Markus Piechotta、Michael Giese、Stephan Barcikowski和Bilal G?kce共同撰写。


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