2020年9月，南極熊獲悉，來自杜伊斯堡－埃森大學的研究人員開發(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方法兼容，盡管代價是顏色為黑色。因此，與那些使用粘結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粒混合。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構（如圖），圖片來自《 Advanced Optical Materials》

該團隊在他們的論文中總結道：＂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－聚合物復合材料在生物、催化和電子領域的應用也表現(xiàn)出很高的潛力。＂

研究人員的研究結果詳見其題為 ＂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。
責編AJX