《华人团队研发3D打印不锈钢获突破》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 姜山
  • 发布时间:2017-12-21
  • 人民网斯德哥尔摩12月19日电 近日,英国伯明翰大学在材料科学顶级期刊Materials Today上发表了3D打印不锈钢材料的论文。产业化道路上长期困扰科研人员的难题。该成果是由瑞典斯德哥尔摩大学、英国伯明翰大学和浙江大学联合组成的一个跨国界跨学科的科研团队研发而成。国家“相关人才计划”特聘专家沈志坚是斯德哥尔摩大学团队的主要负责人。

    “3D打印原理貌似简单,要想实现产业化,却有很多技术问题有待解决,其中一个主要挑战就是打印出来材料的质量稳定性问题。简单地说,就是打印的部件可不可靠,能不能用,会不会出问题?” 3D打印是全球范围高技术竞争的一个热点,它制约着以数字化为基础的"工业4.0”以及 “智慧制造”的发展进程。普遍认为,3D打印出的材料性能不如传统锻造甚至于铸造的材料。但是,此次研究成果显示其以点线面体层层叠加形式构建材料的过程完全颠覆了以往的材料制造方法,能制造出使用传统方法难以制造甚至于无法制造的零件,大大增加了设计的自由度,打印出的不锈钢性能不仅远远好于锻造的钢材,还“顺带”解决了材料学的基础问题。

    谈到和中国团队的联合研发,沈志坚表示:“中国的优势在于有很多的机构和大量的研究人员,有巨大的潜在市场。通过分工合作,发挥合众优势,中国完全有可能弯道超车,走到国际前沿。”“增材制造的原理不难理解,也一点不新,古代大器型陶瓷器,如兵马俑,都是通过堆泥的方式制造的,先人使用的就是增材制造原理,将工匠的双手换成数控机械臂就是现代版的增材制造了。”(王文)

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    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2017-11-03
    • 3D打印技术已然风靡全球,但目前与这项技术结合最好的是塑料和泡沫钢材料,而这些材料却不够结实,不能满足核心材料的应用需求。如今,研究人员已经开发出了一种3D打印坚韧和灵活的不锈钢的技术,这一进步可能会带来更快、更廉价的方法,从而制造出从火箭发动机到核反应堆和油井设备零部件的所有产品。 不锈钢是在150年前发明的,至今仍广受欢迎。它是由传统的钢结构熔化而成的——其自身是铁和碳(有时是其他金属,如镍)的混合物,并加入铬和钼,用以防止生锈和腐蚀。在不锈钢的制造过程中,一系列复杂的冷却、再加热和轧制的步骤,使得材料的微观结构紧密地排列在一起,即合金的颗粒与颗粒之间形成了一种类似于细胞的结构。当金属被弯曲或受压时,颗粒中的原子层彼此滑动,有时会形成晶质缺陷,从而导致裂纹的产生。但是牢固的颗粒边界可以阻止这些缺陷,使材料变得坚硬,并且仍然足够灵活,形成一个想要的形状。 长期以来,3D打印研究人员一直试图复制这种结构。他们的计划始于一个涂抹在平整表面上的金属合金颗粒粉层。 在这项研究中,一种由计算机控制的高性能激光束在表面上来来回回地扫描。被激光击中的颗粒熔化并融合在一起。随后,这一表面向下移动,紧接着,另一层粉末被添加进来,之后,激光加热过程再次重复,将新熔化的材料粘在下面的一层上。通过重复这种逐层添加法,工程师们可以制造复杂的结构,比如火箭发动机。 然而问题依然存在——在微观层面上,3D打印的不锈钢通常都是高孔隙度的,这也使得它们很脆弱并且容易断裂。 “这些钢材的性能很糟糕。”Yinmin “Morris” Wang说,他是美国加利福尼亚州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的材料科学家。几年前,Wang和他的同事提出了一种方法,利用激光和一种快速冷却的技术将金属合金粒子融合在一个密集而紧凑的结构中。 如今,他们通过设计一个由计算机控制的程序扩展了这项工作,使其不仅能够制造致密的不锈钢层,而且可以更为严格地控制这些材料的结构——从纳米级到微米级。这就使得3D打印机可以在每一个尺度上构建微小的细胞壁式结构,从而防止破裂和其他常见问题。 测试表明,在某些条件下,最终的3D打印不锈钢材料的强度要比传统工艺生产的不锈钢高3倍且仍然具有韧性。 科学家在10月30日出版的《自然—材料》杂志上报道了这一研究成果。 “他们所做的事情真的很令人兴奋。”宾夕法尼亚州匹兹堡市卡内基·梅隆大学机械工程师Rahul Panat说。此外,Panat指出,Wang和他的同事使用了一种在市场上可以买到的3D打印机和激光设备完成了这项工作。这使得其他研究团队很可能迅速效仿他们的做法,制造出各种各样的高强度不锈钢部件——从飞机的油箱到核电站的压力管。同时,还可能增加人们对3D打印的热情。 3D打印是快速成型技术的一种,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可黏合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的,常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,后逐渐用于一些产品的直接制造,已经有使用这种技术打印而成的零部件出现。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工、汽车、航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支等领域都有所应用。
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    • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者:husisi
    • 发布时间:2022-11-21
    • 瑞典皇家理工学院的研究团队设计了一种低成本高收益的专用于制造微机电系统(MEMS)的3D打印技术,它克服了传统MEMS器件制造的局限性,有望实现定制化MEMS器件的经济高效生产。通过该系统能够小批量生产定制设计的MEMS设备,以用作微型机器人、智能导航、飞行器设计等领域的传感器。 尽管通过大规模半导体制造技术可以高效地大批量生产MEMS器件,但由于制造工艺开发和器件设计优化的启动成本较高,使得中小型批量制造MEMS具有一定挑战性。因此,领导该研究的Frank Niklaus教授表示,工程师通常需要在非最优的现成MEMS设备和难以承受的启动成本之间做出抉择。而且传统的制造工艺开发和设备设计优化的成本不会因为小批量而降低。 图 一个3D打印的MEMS单元被放在一枚硬币旁边 该团队利用双光子聚合结合金属蒸发工艺制造了一种应变传感器,并展示了一种3D打印的功能性MEMS加速度计。它表征了加速度计随时间变化的响应度、谐振频率和稳定性。测试结果表明,这种3D打印方法可以有效地制造各种定制设计的MEMS器件。 双光子聚合过程,产生了小至几百纳米,但无法感知的高分辨率物体。为了形成转换元件,研究人员使用了一种遮蔽技术,其工作原理类似于模板。在3D打印的结构上,研究人员制作了具有T型横截面的特征,它功能就像一把伞。当从3D打印结构上方的某个点沉积金属时,受到这种“保护伞”保护的T型特征的侧面没有被涂覆金属。因此,T顶部的金属与结构的其余部分绝缘。 研究人员利用该方法,通过商业3D打印设备在短短几个小时内就制造了大约12个定制设计的MEMS加速度计。这种3D打印方法可以用于MEMS器件的原型制作,并以更加经济的方式每年生产数千万个MEMS传感器。 Niklaus强调,该方法突破了传统MEMS的生产极限,因为如果使用传统半导体技术来制造一款MEMS产品的成本在数十万美元左右,而且生产周期通常需要几个月甚至更长。但他们研发的新型3D打印技术不仅成本低,而且大大压缩了生产时间,在未来有望改变MEMS和传感器制造的游戏规则。 该方法可以用于制造那些需要定制的昂贵设备,比如飞机加速度计和工业机械振动传感器。它还可以应用于各种MEMS传感器,比如压力传感器,陀螺仪和流量传感器等。其他可以从该技术中受益的小批量产品包括机器人、工业工具和风力涡轮机的运动和振动控制单元。 此外,3D打印还可以为MEMS传感器实现复杂的几何形状,而且目前通过传统的硅微加工无法实现。研究人员通过将遮蔽元件,与定向材料沉积相结合来,选择性地功能化3D打印MEMS结构的表面的这种思路是通用的,促进了创新设计和各种传感器集成。 3D打印大大缩短了MEMS器件设计和制造的间隔时间,使得研究人员能够在几个小时内评估设备的性能,并对其进行优化。据研究人员称,从工业角度来看,与传统维微纳制造技术相比,3D打印可以显著降低中小批量定制MEMS器件的启动成本。 Niklaus 认为3D打印的可扩展性不仅仅是MEMS生产的优势,而且使其他类型的定制设备的制造成为可能。