《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
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    • 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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    • 编译者:husisi
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    • 盖房子能像打印机打印东西一样?如果不是亲眼所见,恐怕很难相信,眼前正在建设中的小楼,一楼墙面全部是由悬挂在空中的喷头“打印”出来的。日前,记者走进中建二局广东建设基地,探访世界首个3D原位打印二层示范建筑。记者看到,小楼四周搭建着高大的金属框架,悬挂在上面的打印头可以在XYZ轴三个方向上自由移动,通过喷吐混凝土材料“盖房”。 “打印机、喷头、油墨、纸张”一样不少,打印一层楼不到30个小时 “3D打印建筑的基本原理与一般打印机一样,要有打印机体、喷头、油墨、纸张。”中国建筑技术中心材料工程研究所所长助理霍亮介绍说。如果把建筑四周搭建的金属框架视作打印机的机体,那么喷吐混凝土的打印头就相当于一般打印机的喷头,只不过它喷出的既不是油墨也不是一般的混凝土,而是为打印施工特别配制的打印材料。“就像炒菜会放盐和酱油一样,为了适应3D打印的特点,我们在建筑材料上做了一些调整。”霍亮说。 众所周知,传统的建筑施工中,混凝土砂浆的材料特性决定了其浇筑不能间断,要一次完成。3D打印建筑也同样不能间断,打印头通过一圈一圈连续喷吐宽5厘米、厚2.5厘米的打印材料,经过层层堆积建造墙面。但是问题来了,如果下层混凝土凝结慢,没有形成足够的强度,就无法支撑上层材料的重量,导致墙面变形甚至垮塌;如果凝结太快,又会出现和上层材料的黏合问题。“我们通过反复试验,在一般的混凝土中添加了外加剂,通过调节材料黏稠度和凝结时间,解决了这一问题。”霍亮说。 光有打印机、打印头和打印材料还不行,“纸张”也同样重要。“在施工前,我们在地下预埋了钢筋,这就相当于‘打印纸’,在打印过程中,随着墙体越来越高,工人趁着混凝土砂浆尚未凝固时可以像切蛋糕一样在墙体底部开洞,为墙体内的钢筋笼与地基中的钢筋焊接预留出空间,操作相当方便。”中建二局广东建设基地有限公司科技部副经理黄云说。 记者爬上脚手架俯视墙面,发现墙体是中空的。“这是为了给未来的保温层等材料填充预留空间,3D打印建筑的墙体分内外两层打印,设备按照打印路径行进,打印完占地面积约120平方米的一楼墙面用时不到30小时,建造速度很快。”霍亮说。 据了解,这栋即将整体完工的二层小楼位于工厂的钢材锻造车间旁,建成后将用于办公和展示。与3D打印建筑构件再拼装不同,3D原位打印需要克服户外环境变化带来的一系列挑战。“建筑周边有喷雾设施,用于打印中的保湿和打印后的混凝土养护,在一层打印完成后,至少需要养护3天时间,材料强度达到可进行下一阶段施工的条件。目前已安装完一楼楼顶,正在打印第二层。”霍亮说。 省时、高效、环保、设计自由度高,3D打印或成现有技术有益补充 熟悉建筑行业的人都知道,混凝土浇筑需要模板,但3D打印建筑的施工现场却没有。“从传统工艺特点来说,混凝土结构成型需要模具。尤其对曲面造型设计的建筑来说,不论是现场浇注成型,还是工厂预制构件,模具制造成本高且不易实现。而建筑3D打印技术是基于计算机智能控制实现建筑构件及建筑免模板的施工工艺,在曲面建筑和穹顶式建筑建造上具有明显优势,同时为设计师自由创作提供了可能。”中国建筑技术中心材料工程研究所所长张涛说。3D打印技术无疑将推动制造业的数字化发展,在3D打印的世界里,建筑师、工程师和建筑工人将借助科技之力,将建筑与3D打印结合,完成对现有建筑技术的再造。 除此之外,3D打印建筑还可大大节省建筑用料,降低施工成本。 近年来,中国建筑能耗总量逐年上升,在能源总消费量中所占比例已从20世纪70年代末的10%,上升到27.45%。住房和城乡建设部建筑节能与科技司研究表明,随着城市化进程的加快和人民生活质量的提高,中国建筑耗能比例将上升至35%左右。建筑3D打印可以充分利用打印智能控制,使建筑一次成型,节约材料60%,同时可减少建造过程中的工艺损耗和能源消耗。 韩国一家从事3D打印建筑的公司CORONA总裁申东源曾向媒体表示:“3D打印建筑可以将建造住宅的施工费用降低到现在的1/10。假如一套6坪(19.83平方米)单间房施工费用是1亿韩元,使用3D打印,可将费用压缩到1000万韩元。” 另一方面,3D打印建筑还能节约人力成本。在施工现场,记者只看到了五六名工人。“我们这个项目建筑面积约230平方米,分为上下两层,每层高度3.6米。打印部分为墙体和构造柱,主体打印部分仅需3天。3D技术打印房屋全部使用机械自动化操作,以往要十二三名工人操作的项目现在用一半人就可以完成”。霍亮说。 在中国逐步迈入老龄化社会、人力成本越来越高的形势下,劳动密集型的建筑业发展面临巨大挑战。可以预见,在用工成本不断增加的今天,3D打印技术未来可能对行业变革产生巨大影响。 不过目前3D打印技术没有真正批量应用在建筑工程中。“虽然3D打印具有无模板的优点,但是打印墙体中的横向钢筋、竖向钢筋、箍筋的布置和连接在目前的工艺中还不能有效解决。”霍亮说,“建筑3D打印技术与现有施工技术是互补的、相互依靠的关系。研发及应用这一技术不是要替代现有施工技术,而是将其作为对现有施工技术的一个强有力补充。” 国际建筑界普遍关注,中国3D打印建筑水平与世界同步 在庆祝中华人民共和国成立70周年大会群众游行活动中,“奋进上海”彩车上的中共一大会址、自贸区、陆家嘴等微缩建筑模型都是由3D打印技术制造的,再一次引发人们对3D打印技术的关注。这一诞生于上世纪90年代中期的技术又称“增材制造”,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,广泛应用于珠宝、鞋类、航空航天、医疗产业等领域,在建筑方面的应用还较为前沿。 近年来,3D打印建筑在国内外建筑界引起广泛关注,相关探索层出不穷。中国盈创建筑科技公司曾在2015年1月用3D打印机建造了一个5层公寓。阿联酋“OFFICE OF THE FUTURE”(未来办公室)项目是全球首个采用3D打印技术完成的高档办公室项目。今年7月,太空灰3D打印团队宣布,完成了全球首座整体3D打印的混凝土拱桥。南京嘉翼数字化增材技术研究院有限公司用3D打印技术建成的垃圾投放站今年9月亮相南京江北新区。不久前,迪拜首座3D打印双层建筑落成。 “目前,国内外建筑3D打印技术同步发展,中国建筑行业在某些应用方面甚至已经超越国外同行。”霍亮说,“3D打印建筑涉及学科多,缺少相关的技术标准、设计规范。目前国内的相关行业组织已经成立,国内外的业务交流活动也越来越多。” 国内第一个建筑3D打印领域的行业组织——中国混凝土与水泥制品协会3D打印分会于去年成立。中国建筑技术中心主编的《混凝土3D打印技术规程》已经起草完毕,目前处于征求意见阶段。首届建筑3D打印国际会议去年11月在澳大利亚墨尔本举行,今年10月落户天津,由河北工业大学和同济大学联合主办。 《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》指出:“增材制造(3D打印)、机器人与智能制造、超材料与纳米材料等领域技术不断取得重大突破,推动传统工业体系分化变革,将重塑制造业国际分工格局。”同时明确提出“打造增材制造产业链”。在国家政策引领下,国内建筑企业在3D打印方面的探索正步步深入。“畅想未来,这一技术也许会应用在外太空建造中,我们可能只需要一个‘打印机’就能从月球表面提取材料造房子了。”霍亮说。