leyu乐鱼体育| 智能制造:复合质料3D/4D打印技术

产品时间:2021-12-25 00:51

简要描述:

封面图泉源:Fortune Magazine撰稿 | 刘玫玲3D打印在智能制造业已经有30复合年的生长历史,被认为是一种造价低廉、操作灵活、适用于个性化定制的快速成型技术(AM)。现在常用的打印质料是聚乳酸(PLA),其良好的热塑性和易生物降解性都十分适用于立体打印技术。 单一质料的工艺性能、优点和缺点牢固,在几何形状准确度、物理性能和化学性能等方面有时无法满足更高的技术要求,制约了3D打印技术的生长。...

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本文摘要:封面图泉源:Fortune Magazine撰稿 | 刘玫玲3D打印在智能制造业已经有30复合年的生长历史,被认为是一种造价低廉、操作灵活、适用于个性化定制的快速成型技术(AM)。现在常用的打印质料是聚乳酸(PLA),其良好的热塑性和易生物降解性都十分适用于立体打印技术。 单一质料的工艺性能、优点和缺点牢固,在几何形状准确度、物理性能和化学性能等方面有时无法满足更高的技术要求,制约了3D打印技术的生长。

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封面图泉源:Fortune Magazine撰稿 | 刘玫玲3D打印在智能制造业已经有30复合年的生长历史,被认为是一种造价低廉、操作灵活、适用于个性化定制的快速成型技术(AM)。现在常用的打印质料是聚乳酸(PLA),其良好的热塑性和易生物降解性都十分适用于立体打印技术。

单一质料的工艺性能、优点和缺点牢固,在几何形状准确度、物理性能和化学性能等方面有时无法满足更高的技术要求,制约了3D打印技术的生长。对于这个问题,工程师们提出在3D打印中使用两种或两种以上的物理或化学性能差别的质料,联合每类质料的优点,将3D打印技术的应用规模扩展到更辽阔的领域,好比电路、航空航天、机械人和纺织业。随着“智能质料”的泛起和普及,4D打印技术也随之兴起。“智能质料”是指能随外部刺激或者温度变化而自动折叠成相应的形状的质料,这为适应外部变化和自我修复提供了可能,好比,管道可以设计成能够凭据水流量举行膨胀或收缩,或者在破裂时自我修复。

加拿大复合尺度力学研究室Mohammad Rafiee等人在 Advanced Science 上揭晓题为Multi-Material 3D and 4D Printing: A Survey 的 Progress Report ,从以下四个方面总结了复合质料3D打印技术的生长现状,先容了现在商用复合质料3D打印机的市场情况和焦点技术,重点先容了差别种类复合质料及其各自的应用实例,包罗高分子聚合物(塑料、橡胶、纤维)、金属、陶瓷、生物质料等。最后,文章分析了复合质料打印技术的瓶颈和未来生长趋势。01商用复合质料3D打印机的生长现状复合质料3D打印机的主要划分依据是质料成型技术,一种是质料挤压(FDM),另一种是质料喷射(MJ)。FDM是通过加热喷嘴或挤出机头来分配质料,完成一层后喷嘴向上移动打印下一层。

而MJ比FDM原理更为庞大,其打印头带有加热功效和数百个喷孔,质料先在打印头内先加热到特定温度,再随打印头移动到指定位置,最后从数百个喷孔中喷射出来。MJ技术对质料和机械的要求高,优点是打印速度快、成型精度高,打印出的产物精度可以到达±0.1%。现在,中国、美国、英国、波兰、西班牙、匈牙利等国均有生产商拥有复合质料3D打印机的技术。

如:美国3D System公司、Stratasys公司、Markforged公司拥有基于质料喷射的3D打印机生产技术。02复合质料3D/4D打印技术3D/4D打印机与普通打印机原理基底细同,是通过电脑指令把液体或粉末等“打印质料”一层层叠加起来,把数字模型变为实物,可是涉及的立体成型技术却比普通打印机庞大。详细来说分为薄片层叠(SL)、直接烧结技术(DED)、粘合喷射成型(BJ)、质料喷射成型(MJ)、熔融沉积式成型(FDM)、光固化打印技术(SLA)、粉末床熔合成型(PBF)七大类。

无论使用哪种成型方法,复合质料的3D/4D打印通常是通过复合个喷嘴来实现。传统FDM挤压方式将两种质料划分通过两个喷头挤出,一种质料作为主结构(质料A),另一种作为可溶解的支撑体(质料B)。这种方式的优点是喷头结构简朴,缺点是打印灵活度差、打印规模有限、泛起渗漏和缠绕的可能性高(图1 a)。

为增强打印头的灵活度,扩大打印规模,经由优化设计的打印头能够同时吸收一连的纤维和热塑性长丝,而这种纤维与熔融热塑性塑料的原位熔合方法是现在制备一连纤维复合质料的常用方法(图1 b)。此外,还可接纳预浸渍技术,这项技术是基于碱液深入纤维内部可提髙纤维热力学性能的原理,在打印头将熔融的热塑性塑料与预浸渍纤维联合在一起(图1 c)。

图 1 基于挤压的复合质料增材制造图片泉源:Mohammad Rafiee, Rouhollah D. Farahani, et al., Multi-Material 3D and 4D Printing: A Survey. Advanced Science, 2020. 1902307.对于FDM技术,单一挤出机也可以实现复合质料的直接进料 (图2),复合种质料被配合送入单螺杆挤出机中,然后沉积到打印床上。这项技术在可控和可变组合结构的打印上有很大的生长潜力。图 2单螺杆复合质料输送系统示意图图片泉源:Z. Zhou, I. Salaoru, P. et al., AIP Conf. Proc. 2016, 1769, 190004.03聚合物复合质料组合高分子聚合物是现在3D打印技术中最常用的质料之一。凭据质料成型技术差别,所用到的高分子质料也差别。

为增强打印产物的性能,科学家提出用传统质料作为基质,上下包裹住增强剂的“三明治”结构,这样打印件的性能因联合了差别质料的优点获得提升。3.1光固化成型(SLM)传统液体光敏树脂作为基质质料,用短且一连的纤维质料,好比丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、玻璃粉末、玻璃纤维织物作为增强质料。实验证明:组合质料的拉伸强度和杨氏模量划分是对照组纯树脂的7.2倍和11.5倍。虽然复合质料打印的产物性能优于传统质料,可是这项技术真正投入商用还需解决两个棘手的问题:一是如何制止复合个质料间的相互污染;二是如何解决由于更换质料造成的打印时间拖延。

3.2熔融沉积成型(FDM)这项成型技术是把热塑性高分子质料ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)、尼龙、环氧树脂作为基质,把碳、玻璃和凯夫拉尔合成纤维作为增强质料。这项技术的局限在于两种质料不相容时会造成沉积效应,导致接壤处易泛起扭曲变形。3.3直接墨水书写。


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