研究人员开发了3D打印彩色零件的新型TPU粉末

慧正资讯：通过在传统的热塑性粉末中引入少量的等离子银纳米粒子，研究小组能够在一系列3D打印部件中加入黄色。考虑到当前的台式LPBF系统仅能够制造白色或黑色的组件，该团队的新型树脂可以为许多现有打印机带来一抹亮色。

研究人员在论文中说：“在可见光或近红外范围内，使用廉价和紧凑的二极管激光器来进行低通滤波是非常理想的，但目前只有黑色物体可以通过台式激光打印机打印出来。在这项研究中，我们提出了一种通过激光3D打印生产有色零件的新方法。”

对新型LPBF 3D打印聚合物的需求

随着台式机系统的日益普及和3D打印爱好者的采用，新型、更有效的聚合物基材的需求前所未有地高涨。当前，大约90％的可用热塑性粉末是基于聚酰胺的，这强调了该领域创新的潜在空间。

尽管近年来有几种替代材料投放市场，但它们通常缺乏现有树脂的流动性，光吸收和熔融特性。例如，热塑性聚氨酯（TPU）是一种具有高电阻品质的通用材料，但是其不良的热性能阻碍了其被台式系统用户广泛采用。

目前，就工艺参数而言，只有使用CO2激光器才能克服TPU的局限性，而CO2激光器比现有的基于激光系统更为复杂和昂贵。关于潜在的替代材料，先前的研究还确定了基于碳的光热敏化剂，例如炭黑，石墨烯或纳米管，可以替代TPU。

碳在近红外光谱中的强吸收性使其与许多便宜的二极管激光烧结方法兼容，尽管其代价是使产品发黑。所以，与使用胶粘剂喷射或材料挤出系统的用户不同，台式LPBF用户只能在后处理中为零件添加颜色，这是一个真正的缺点。

杜伊斯堡小组的新型3D打印粉末

为了克服台式LPBF的颜色限制，研究小组假设可以在3D打印TPU粉末中添加纳米级光热敏化剂。尽管先前的研究表明，金在这种作用下是有效的，但银的价格却便宜40倍，并且不易结团。

所以，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）工艺中将它们与聚合物微粒混合。所得的聚合物粉末具有高分散性，只有很少的聚集。另外，由于通过LSPC生成的银胶体纳米颗粒的表面等离子体共振（SPR）峰为397 nm，因此所得的胶体为黄色，而不是黑色或白色。

由于几乎没有等离子体粒子被吸收到聚合物表面上，该小组观察到干燥和筛分后其颜色没有明显变化。为了全面研究其新型粉末对LPBF打印的适用性，研究团队随后使用445 nm的二极管激光器进行了一系列评估。

测试表明，该粉末的堆积密度比市售TPU低20％，表明其流动性可能因此而稍差。尽管粉末的流动性较差，但该团队还是继续进行3D打印一系列样品的工作。尽管该过程证明是可靠的，可以产生许多黄色部分，但与印刷传统的黑色TPU相比，它确实需要多消耗五倍的能量。

总之，混合测试结果表明，材料开发者仍然需要在有效加热粉末状聚合物和为其增色之间取得平衡。根据研究人员的说法，进一步的研究可能会关注开发，生产除黄色以外的其他颜色的零件。

该团队在论文中总结道：“等离子Ag-TPU粉末仍然可以着色，但是如果使用炭黑则不能。银纳米颗粒-聚合物复合材料在生物学，催化和电子领域也显示出很高的应用潜力。”

完善LPBF 3D打印流程

LPBF增材制造得到了广泛的应用，尤其是在台式系统中，许多组织正在努力优化工艺以适合重型应用。

荷兰金属3D打印机供应商Additive Industries正在与Fraunhofer研究所合作，以加快LPBF在工业批量生产中的实施。基于Twente大学的合作伙伴关系正在分析过程的各个方面，以鼓励LPBF整合到现有的工业过程链中。

固态金属3D打印专家Fabrisonic与EWI和Luna Innovations合作，为LPBF增材制造工艺构建了智能基板。该设备的设计可防止零件在打印过程中因粘接板上的残余应力而脱落或剥离。

全球标准开发商ASTM International当前正在为LPBF 3D打印方法开发特定的标准。前瞻性认证将寻求评估装配零件的质量以及制造零件的LPBF系统的性能。

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