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3D打印廣泛應用 科學儀器如何助飛3D打印

2019/5/27編輯:Ma Liang 人氣:2592

【導讀】2018年,增材制造產業產值已經達到97.95億美元,同比增長了33.5%??捎τ糜諂?、醫療、建筑、航空航天、食品等領域,掃描電鏡、元素分析儀、粉體流變儀、激光粒度儀等在這片沃土應用廣泛。

科技時代的“魯班”非3D打印莫屬,飛天遁地、怪異嶙峋,無論怎樣的物件似乎都能夠被3D制造。從零部件到跑車、從子彈到住房,從指紋手套到心臟模型,只要需要模型和原型,3D打?。ㄔ霾鬧圃歟┚陀杏夢渲?,剛剛結束的亞洲文明對話大會,其會徽就是由3D打印所制造。工信部裝備工業發展中心主任瞿國春在5月10日接受采訪時稱,去年全球增材制造(3D打?。┎擋狄丫锏?7.95億美元,同比增長了33.5%。其中,增材制造零部件的產值占比達12%,增材制造應用方式逐步從設計走向了直接制造,這意味著到了真正的產業化階段。

目前,3D打印技術的技術分類有SLA、CLIP、3DP、FDM、PolyJet、NPJ、SLM、SLS、LMD、EBM等,大多已得到了廣泛應用,并且隨著技術自身的發展,其應用領域也在不斷拓展。以下是3D打印在幾個領域的應用進行介紹:

3D打印汽車行業中應用淺談:

根據SmarTech調研報告預測,3D打印技術在汽車行業的總市場到2023年有望達到22.7億美金。除了零部件設計與制造,汽車外觀造型、內部結構或汽車內飾為汽車制造業注入了新鮮血液,不僅是汽車零部件的設計與制造,而且汽車外觀造型、內部結構或汽車內飾功能上的設計,不同程度地應用了3D打印技術。

世界首輛3D打印汽車—原型機Urbee于2013年問世,整個車身采用3D打印技術一體成型,整車的零件打印只需2500小時即可完成,生產周期遠遠快于傳統汽車制造周期。目前3D打印技術在汽車設計中的應用主要集中在概念模型開發、功能驗證原型制造、工具制造及小批量定制型成品生產四個階段。近年來3D打印在造型評審、設計驗證、復雜結構零件、多材料復合零件、輕量化結構零件、定制專用工裝、售后個性換裝件等方面的應用逐漸被越來越多的汽車廠家采用。

3D打印醫療行業應用淺談

救死扶傷必須充分調動醫療資源潛力,而3D打印早已變成了醫生的得力助手。長此以往,醫療器械行業早已擁有從器材、人體器官到手術治療的全方位3D復印而成的商品及其運用。最簡單的應用是使用金屬、塑料等非活體組織材料定制化假肢、牙科、骨科植入物、助聽器外殼等醫療器械,這方面的應用已然非常普及,進階一點,還可以用3D打印制造血管、軟骨等活體組織,更有甚者,甚至可以打印人工肝臟、心臟等。

3D打印在醫療領域還有一項讓人垂涎的應用就是輔助手術,通過3D打印的三維形狀構建,可以在手術前看到病變處之外的其他區域,并可以在真正的手術之前展開多次模擬訓練,減少手術實施的風險。

3D打印食品行業應用淺談

3D打印在食品行業的應用仍處于初級階段,但利用多材料食品3D打印技術解決膳食平衡問題是其中的熱點應用之一。通過對材料盒中的食物原料進行科學合理的配置,3D打印技術可以打印出適用于不同營養需求的青少年、老人、孕婦和病人食品。這其中3D打印食品材料配方及成型工藝、食品3D打印平臺的設計與制造、食品打印專用噴頭的研發、溫度和壓力控制系統的研發、3D食品打印軟件的研發,所研發的新裝備標志著智能3D打印在膳食平衡和新食品開發領域的發展方向。利用3D打印技術制作食品,不僅簡化了生產過程,降低了成本,而且可以進行個性化的形狀定制。特別是在航空食品領域,3D打印可用于生產保質期長達30年的航空食品。

3D打印航空航天應用淺談

在航空航天領域,3D打印正在進入產業化生產,以下幾種零部件及設備的應用非常普及:渦輪葉片的鑄造型芯、發動機支架、燃料噴嘴、其他零部件,甚至嵌入式二維碼,利用3D打印可以形成高復雜的內部冷卻通道結構。航空航天正在利用3D打印來改善資產的分配,減少維護費用,并通過制備更輕的部件節省燃料成本。

3D打印建筑行業應用淺談

與傳統建筑方式相比,3D打印建筑技術不僅速度快,不需要使用模板,可以大幅度節約成本,而且還具有綠色、環保、低碳的特點,并且可以降低安全隱患。3D打印在建筑領域的應用主要集中在建筑設計階段和工程施工階段。在建筑設計階段,設計師可以通過3D打印實現更多無拘無束的想法。其次,利用3D打印技術可以提前有效預測一些特殊設計。在施工階段,3D打印技術可以大大縮短施工周期,提供高質量的應急住房。

從功能技術層面來講:未來打印機可能朝著多功能方面發展,成為能夠獨立打印建造輪廓、打印鋼筋、打印裝飾面、安裝管道、刷漆、貼瓷磚等多功能建造機;能夠打印無需臨時支承的懸空或挑空結構,這對建筑結構的選取提供了更大的靈活性。

除上述幾個領域之外,3D打印在武裝設備、服裝、教育、工業設計、文化藝術、機械制造(汽車、摩托車)、軍事、影視、家電、輕工、考古、雕刻、首飾等領域都有廣泛的應用。具體來說可以影響到包括設計方案評審、制造工藝與裝配檢驗、功能樣件制造與性能測試、快速模具小批量制造、建筑總體與裝修展示評價、科學計算數據實體可視化、醫療工程、首飾及日用品快速開發與個性化定制、動漫造型評價、電子器件的設計與制作等。

科學儀器如何助飛3D打印

遵循著馬太效應,如今熱度越來越高的3D打印,也迎來了越來越多科學儀器的助陣。

掃描電鏡

掃描電鏡是檢測3D打印物品表面缺陷的有效工具,2016 年,Walczak 等人(Applied Computer Science, vol. 12, no.3, pp 29-36)通過3D打印方法,對 17 –4PH 鋼制品的特性進行了研究。結果表明,掃描電鏡分析顯示激光燒結后的焊接表面的結構中存在缺陷,這種現象是不合需要的,降低了打印物品的質量。

粉體流變儀

增材制造也稱3D打印,是一種潛在的高效制造技術。通常涉及按嚴格的技術規范“打印”復雜組件,具體方法是逐層堆積粉體,然后選擇性地熔結??刂品厶逍閱芏雜詮絳屎統善分柿恐涼刂匾?。當形成粉層時,粉體流動和裝填方式決定了該性能的各個方面。原料的多變性會導致松裝密度不一致、粉層不均勻、抗張強度低以及表面光潔度差。

元素分析儀

目前3D打印金屬粉末制備技術主要以霧化法為主(包括超音速真空氣體霧化和旋轉電極霧化等技術),粉末存在大的比表面積,容易產生氧化。因此,對不同體系的金屬粉末,氧含量均為一項重要指標,對于普通的金屬粉末,如不銹鋼,含氧量要求在800-900ppm以下,對于活潑金屬,如鈦合金,一般要求在1300-1500ppm,在航空航天等特殊應用領域,客戶對此指標的要求更為嚴格。此外,部分客戶也要求控制氮含量,一般要求在500ppm以下。大多數增材制造的方法都是基于同樣的工藝步驟。激光光束會局部融化金屬粉末上層,使其固化進而形成一層固態材料。這一步驟重復一遍又一遍直到最終產品被生產出來。所要使用的金屬粉品質由粒度分析方法(如篩分法)測定,某些情況下,元素分析也可以在增材制造過程之前用于檢測其品質。

粒度粒形分析儀

金屬3D打印常用的粉末粒度范圍是15-53μm(細粉),53-105μm(粗粉),部分場合下可放寬至105-150μm(粗粉)。目前市場上主流SLM 成形設備要求的鋪粉層厚是20-50μm。而GBT1480-2012《金屬粉末 干篩分法測定粒度》適用于大于45微米的粉末顆粒,所以已不太能滿足金屬3D打印粉末粒度測試要求。激光粒度儀適用于0.1μm到2mm的粒度分布分析,但激光粒度儀存在如折射率難以確定,進樣量少,沒有顆粒形態信息,將顆粒等效成球形導致不規則樣品的測量準確度不高等一些瓶頸。SLM 成形專用金屬粉末是通過氣霧化法制備得到的,顆粒一般呈球狀,但也會出現形狀不規則的顆粒,顆粒球形度直接影響粉末的流動性和松裝密度。粒度粒形儀可以測量球形度,并且解決電鏡耗時長,無法進行質監檢測的不足。

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(來源: 儀器信息網 )

標簽:元素分析儀,粒度分析儀,儀器,設備

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