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Science综述:多功能3D打印

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科技传媒网 科技新媒体 材料牛 2016-10-10 15:06

这篇综述主要包括了3D打印的研究背景、多功能3D打印概述、多功能3D打印与传统制造技术的比较、3D打印器件的不同功能性、总结与展望五部分。

  科技媒体3D打印网讯 9月30日,美国德州大学埃尔帕索分校的Eric MacDonald和Ryan Wicker在Science上发表了一篇题为“Multiprocess 3D printing for increasing component functionality(通过多进程3D打印增加器件功能)”的综述(Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aaf2093)。

  增量制造,也就是通俗所说的3D打印,正在成为公众和媒体的焦点,不同于传统的制造技术(比如铸造、锻造、机械加工、注塑成型)只能制造统一造型和结构的物品,3D打印因为没有具体的模板或者造型作为参考,所以可以按照具体的需要制造具有不同复杂几何形状的产品。

  虽然3D打印在制造金属、陶瓷、聚合物等方面取得了巨大的成功,但是传统的3D打印仅仅局限于以单一材料为原料的制造,这就限制了3D打印在更广泛领域的应用和研究,所以,将多种材料进行复合使得材料的功能性进一步提高就成为必要的了。最近出现的多进程3D打印,或者叫做混合3D打印就兼具了几何形状的复杂性和实用的多功能性两大优点。

  这篇综述主要包括了3D打印的研究背景、多功能3D打印概述、多功能3D打印与传统制造技术的比较、3D打印器件的不同功能性、总结与展望五部分。

Science综述:多功能3D打印

图1:一台正在工作的多功能3D打印机

  1、3D打印的研究背景

  传统的工业制造在生产大规模统一部件时,装配步骤复杂,也会造成原材料的浪费。3D打印由于其不需要额外的模具,并且可以灵活定制生产各种具有复杂几何形状的产品,所以吸引了大众的目光。3D打印就是利用层与层之间材料的堆积来形成各种在空间延伸的几何形状的技术。过去的几十年间,得益于空间分辨率的提高和多种原材料的使用,3D打印正日益广泛的应用于消费产品、航空航天、生化器件等领域,很多企业已经投身于3D打印的浪潮中,例如,美国通用电气公司就计划到2020年,要为喷气式发动机制造超过十万个3D打印组件。

  然而,3D打印也面临着许多挑战和亟待解决的问题,其中之一就是增加3D打印不同组件的功能性。下一代的3D打印就需要能整合不同组件之间的特性,利用统一的、无需额外工具的、多进程的打印环境进行器件的制造。因此,伴随互相补充的制作过程,一种称作多进程3D打印,或者叫做混合3D打印的技术应运而生。这种互补的制作流程既包括传统的制作方法(例如机械加工、切削、滴涂、机器人操作等),也可以使产品同时结合电子、电磁、光学、流体、制动、化学以及热学等特性,具有巨大的应用潜力。

3D打印机

图2:利用多进程3D打印技术制作的器件:(A)一个嵌入了处理器和加速度计的骰子;(B)周期性螺旋天线

  2、多功能3D打印概述

  3D打印就是利用层间堆砌的方式制作器件的技术,它具有制作过程灵活的特点。美国材料与试验协会(ASTM)下属的F42委员会在2009年确定了3D打印的基本术语、测试方法、文件格式等,并且认定了3D打印的七种基本分类:

  1)光固化就是在光源照射下,利用对特定能量光敏感的聚合物进行固化的过程。这个过程在选择性地固化每一层后就会降低。

  2)材料的挤出就是将材料通过挤压嘴进行选择性地分配。常用的材料就是热塑性塑料。这个过程通常需要结合移动平台和挤压机的共同作用。

  3)粉末层融合就是将激光或者电子束作为热源,把粉末中的特定部分进行融合的过程。在此过程中,会使用耙手或者滚筒把多余的粉末聚集起来形成新的一层。

  4)粘合剂的喷射就是把粉末原料利用粘合剂进行结合的过程。大部分都需要利用浸渍剂和熔炉循环加热。

  5)材料的喷射是将材料的液滴有选择的进行沉积的过程,这个过程也需要光固化的作用。并且沉积和光固化需要在每一层重复进行。

  6)层压就是将材料的每一层结合在一起组成一个完整结构的过程。在此期间,还需要用机械加工、切削等方法把每一层精确塑形。

  7)定向能量沉积就是结合原材料沉积和能量源(激光或电子束)在材料表面进行构建的过程。

  上述的每一个过程的目的都是为了强化结构的稳定性并增加功能性。早在上世纪九十年代就有学者报道了3D打印的分步操作,来加强材料的功能性和结构性。此后,也有很多研究者报道了在3D打印制造技术上的各种进展。

  增量制造上的多功能化可以广义理解为在材料的基础功能上引入附加的特性。例如,多种颜色和密度的分步就贯穿了整个结构,事实上,多种颜色过程的使用已经商业化多年。另一个关于商业3D打印机多功能性的例子就是使用机械超材料去减少负刚度来抑制震动并降低舱内噪音。

  大部分多功能结构的制造都需要整合多种制造技术,包括结合3D打印,同时使用其他补充技术提高材料的空间控制、几何形状和功能性。这些附加制造能力可以结合金属线、电池、天线和其他部分来实现。电和热的引入和相互作用可以加强子系统间的通信或者在整个结构间传递能量或热。例如,在2D打印领域,导电墨水和导电胶已经被用于制造可用于直接书写的柔性器件。

原文链接:http://www.itmsc.cn/archives/view-126132-1.html
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(责任编辑:夏喧)

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