双激光方案解决SLS3D打印材料浪费难题！尼龙粉如何完美循环使用

AM易道科研分享

两天看到这篇来自波兰弗罗茨瓦夫科技大学的研究，关于SLS3D打印的新工艺方案，对使用旧粉来说比较实用。

一直是行业痛点，这帮科学家居然真的做到了让PA12粉末在室温下无限循环使用，而且性能几乎不衰减。

传统SLS困扰

先说说现状吧。

传统的激光粉床熔融（PBF-LB/P）工艺虽然能打印复杂零件，但材料利用率实在让人心疼。

过程中只有小部分粉末真正用来成型零件，大部分的粉末因为长时间暴露在高温环境下发生热降解，回收使用时性能会大幅下降。

这个问题的根源在于传统工艺需要将整个打印腔室加热到玻璃化转变温度（材料从硬脆状态变为柔韧状态的临界温度）以上、熔点以下，通常PA12需要维持在高温下数小时。

长时间的热暴露导致分子链断裂、交联和支化等化学降解，以及颗粒团聚、结晶度变化等物理降解。

图1显示了粉末循环使用和表征的实验流程，研究团队设计了连续四轮的循环测试方案。

双激光束烧结的巧思

波兰团队提出的双激光束烧结（DBLS）方案相当巧妙。

他们用两个独立控制的CO2激光器：

一个负责烧结，光斑直径210微米；另一个负责加热，光斑直径8毫米。关键是这两束激光同轴排列，8mm的加热光斑先到达目标区域预热粉末，随后210μm的烧结光斑精确熔化材料。

加热激光功率通过红外传感器实时监测温度并自动调节，确保烧结点达到设定的180°C工艺温度。

这种局部短时加热的方式彻底颠覆了传统的全腔室长时加热模式，从根本上抑制了热降解。

整个过程在室温下进行，完全不需要传统的腔室加热系统。

图2展示了打印件的排布方式（a）和完成后的成型效果（b），两个狗骨状试样水平放置，中间间距6mm，周围填充额外材料确保19%的嵌套密度。

技术落地的现实考量

从设备角度看，DBLS需要两套独立的激光系统和精密的同轴对准机构，这确实会增加设备成本。

不过研究团队使用的是25W的CO2激光器，功率需求并不算高。

目前的实验设备使用传统的逐点扫描方式，扫描速度710mm/s，研究团队提到正在开发基于振镜扫描的升级版本，这将显著提升生产效率。

AM易道认为，这项技术最大的价值在于可以使用回收粉末，而传统工艺通常需要按30-50%的比例与新粉混合。

按照目前PA12粉末每公斤几百元的价格，材料成本节约效果相当可观。

四轮循环实验的结果

研究团队进行了严格的连续四轮粉末循环实验。

从分子量分布来看，图7的分子量分布曲线几乎完全重合，这意味着分子链长短分布基本保持不变。

经过三轮循环后，粉末的数均分子量、重均分子量等关键指标变化不超过1个百分点，这个数字比传统PBF工艺的50-100%分子量增长要好上一两个数量级。

更直观的说法是，分子量几乎没有变化，相当于材料性能基本保持原样。

要知道，传统SLS处理后的同款PA2201粉末，熔体粘度会增加近3倍，而DBLS处理的粉末粘度基本不变。

微观结构的精密分析

图4的SEM图像显示了不同循环次数下粉末颗粒形貌（a-d）以及EDS能谱分析结果（e-f）。

有趣的是，研究团队发现粉末中含有SiO2助流剂，这些白色的小颗粒在EDS谱图中显示出1.739 keV的特征峰。

图3展示了通过图像处理技术识别粉末中助流剂含量的方法，通过二值化处理可以精确统计助流剂与粉末颗粒的面积比。

数据显示，助流剂含量从最初的3.85%逐渐降至0.57%，这是反复筛分和混合过程中助流剂颗粒流失造成的。

机械性能的稳定表现

图8显示了四个循环批次机械性能的对比，结果相当令人惊喜。

3D打印机械性能方面，四轮循环下来，拉伸强度基本维持在46-49 MPa，弹性模量保持在1100-1165 MPa，断裂伸长率在32-43%之间波动。

统计分析显示，只有第一批（新粉）和第四批（三次回收粉）之间存在显著差异，但即便是性能最差的第四批样品，其机械性能仍然满足ISO 527-2-5B标准要求。

研究团队推测，第四批样品断裂伸长率的提升可能与助流剂含量减少有关。

粉末特性的微妙变化

当然，循环使用也不是完全没有影响。

图5的粒径分布曲线显示循环前后粉末特性的高度一致性，但流动性确实随着使用次数增加而下降。

第一次循环角度从34.36°增加到37.00°，第三次循环后达到44.98°。

这种流动性下降主要源于助流剂的流失，不过所有样品的内聚指数都保持在25以下，仍在可接受范围内。

研究团队指出，实际生产中可以通过适量添加助流剂或补充少量新粉来改善流动性。

商业化前景

从商业角度看，DBLS技术的价值不仅在于提高材料利用率，更在于简化了材料管理流程。

传统工艺需要复杂的粉末预处理、混合比例控制和质量检测，而DBLS可以直接使用回收粉末，大大降低了运营成本和复杂度。

研究数据显示，四轮循环共使用了190g粉末，最终只剩下约1g无法继续使用，材料利用率接近99.5%。相比传统工艺10-25%的利用率，这是质的飞跃。

行业意义

目前SLS工艺的材料成本占总成本的很大比例，双激光技术有望显著降低这部分开支，提升SLS技术的市场竞争力。

特别是在航空航天、汽车等对材料性能要求严格的领域，能够保证回收粉末性能稳定的技术将带来巨大的经济价值。

研究团队已经在聚乳酸和聚乳酸/羟基磷灰石微球复合材料上验证了DBLS技术的有效性，显示了良好的通用性。

虽然目前DBLS还处于实验室阶段，设备的扫描速度和温度控制精度还有优化空间，但其技术路径清晰，产业化前景可期。

随着环保要求日益严格和材料成本持续上涨，这类可持续制造技术有望继续发展前进。

从这篇研究可以看出，解决3D打印材料浪费问题需要从工艺源头入手，而不是单纯依靠后处理手段。

DBLS技术为我们提供了一个很好的思路：通过精确控制热输入来避免材料降解，实现可持续制造。

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