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3D打印材料

增材制造微纳点阵超材料获得关键进度!


发布日期:2020-11-22 来源: 凌云3D


传统式的FDM、SLA、DLP、SLS、SLM等增材制造技术性在复印大容量构造层面充分发挥关键功效,但生产制造精密度比较有限,无法考虑很多精细工业品对生产制造精密度的严苛规定。微纳米限度三维 复印是现阶段全世界前沿的智能制造行业之一,微纳限度三维打印和纳米点阵超材料技术性各自在二零一四年和二零一五年被美国麻省理工学院《麻省理工科技评论》(MITTechnology Review)列入该本年度十大具备颠覆性创新的自主创新技术性。如图所示1所显示,近些年最有工业生产应用前景的颠覆性创新、变革性极高精密度面投射立体式光刻技术微纳米三维打印技术性(PμLSE)获得迅速发展趋势,可以提升目前别的微纳米限度三维打印技术性所普遍现象的“生产制造精密度和生产加工试品规格”中间的原有分歧,能够完成高精密、效率高、大容量、降低成本生产制造。

图1:面投射立体式光刻技术(PμLSE)微纳米增材制造生产流程

超材料(metamaterial)指的是一些具备人力设计方案的构造并展现出天然石材所不具有的超班化学性质的高分子材料,所具有天然石材所不具有的独特特性关键来源于人力的独特构造。超材料被美国防部列入六大颠覆性创新技术性之一,被英国《科学》杂志期刊点评为以往十年人们最重特大的十项高新科技提升之一。在我国十三五规划纲将超材料技术性明确为国家高新科技发展战略方面必须关键发展趋势的前沿技术行业之一,获得863计划、973计划、自然科学基金、新型材料重特大重点的不断全力支持。为了更好地解决西方国家关键军事强国在超材料基础研究和关键技术的迅速发展趋势,在我国在今年创立我国超材料交流会,从我国方面宏观经济合理布局整体规划在我国超材料基础研究,并推动超材料技术性的重大工程应用研究。微纳米点阵超材料因为具备超班的物理性能,在航天航空、道路运输、汽车产业、医疗装备、国防安全安全性等社会经济和****关键行业具备关键应用前景。

因为微纳增材制造点阵超材料的原材料特点、加工工艺的局限性,增材制造微纳点阵超材料的表层和內部存有多种多样缺陷。这种表层和內部缺陷的几何图形、空间布局特点,及其点阵构件的几何图形特点和原材料特性的可变性对其宏观物理特性有非常大危害。如图2所显示,在北理工优秀构造技术性研究所方岱宁工程院院士的具体指导下,北理工优秀构造技术性研究所肖登宝副教授职称和上海交大船只深海与工程建筑工程学校吴文旺副教授职称及其博士研究生胡雯霞、曾庆亮对于微纳米增材制造机械设备超材料的“加工工艺-缺陷-特性”关联方交易进行系统软件科学研究。科学研究工作人员设计方案、制取了微纳米点阵超材料,并融合上海市同步辐射灯源微纳米三维成像技术性,科学研究了微纳米增材制造机械设备超材料的缺陷几何图形特点统计分析规律性,并进行典型性生产制造加工工艺缺陷种类判断。

图2:面投射微立体式光刻技术成形微纳点阵超材料的同步辐射三维成像平面图

与传统式的电子计算机X射线断块显像技术性(CT)对比,同步辐射三维成像技术性具备高像素、亮度高和高频带等特性,能够对铝合金、生物技术、高分子材料等完成屏幕分辨率1μm下列的三维薄膜光学显像。科技人员根据SR-μCT技术性正对面投射微立体式光刻技术(PμLSE)成形的八角和内凹点阵超材料开展增材制造加工工艺缺陷定性分析,并运用Avizo手机软件对数据信息开展三维重新构建,剖析杆的表层外貌、杆的轮廊及其几何图形缺陷。根据重新构建后的实体模型,创建真正的有限元分析拟合模型,与模型设计开展剖析比照。

最先,各自运用显微镜和SR-μCT定性分析八角和内凹点阵试品的表层外貌和内部构造特点。次之,定性分析试品的粗糙度和內部缺陷,统计分析不一样方位的杆和杆相接处的几何图形主要参数,如图所示3所显示。依据空间布局规律性和几何图形拓扑结构特点,将典型性缺陷分成下列几种:(a)针对八角点阵超材料,杆相接处的孔眼及其杆直徑的不规则变化;(b)针对内凹点阵超材料,杆直徑的不规则变化、突起、移位、凹形槽、沉积和扭曲。最终,科技人员创建包括增材制造加工工艺缺陷的图象有限元分析实体模型开展剖析,并和设计方案的构造开展比照,科学研究了增材制造加工工艺缺陷对微纳米点阵超材料物理性能的危害。

图3:微纳米点阵超材料生产制造加工工艺缺陷数据分析(a)竖直构件的规格误差;(b)歪斜构件(I型)规格误差;(c)歪斜构件(II型)规格误差;(d)竖直构件截面统计分析线性拟合;(e)歪斜构件(I型)截面统计分析线性拟合;(e)歪斜构件(II型)截面统计分析线性拟合。

根据显微镜、SEM、EBSD原点载入试验,只有得到 原材料二维表层的形变场、薄膜光学演变等信息内容,无法真正体现原材料內部缺陷演变等,在表明原材料的无效和毁坏原理层面具备非常大局限。同步辐射三维成像断层扫描显像不但可以有充足的空间分辨率来定性分析原材料和零部件內部缺陷,并且具备充足大的室内空间检验地区来考虑具体工程项目零部件等级的定性分析,进而完成将原材料內部薄膜光学演变和宏观经济零部件特性剖析、寿命预测的跨限度关系。根据同步辐射三维成像原点载入试验服务平台,能够进一步科学研究增材制造微纳点阵超材料的內部缺陷演变和构造无效原理。如图4和图5所显示,同步辐射灯源为纳米限度极端化高精三维成像服务平台,科学研究工作人员开发设计了压电陶瓷片驱动器的微纳米原点载入设备,并进行有关原点力学实验。

图4:根据上海市同步辐射灯源微生物显像线站进行微纳米点阵超材料原点力学实验:(a)上海市同步辐射灯源BL13W-1微生物显像线站试验当场;(b)压电陶瓷片驱动器微纳米结构力学原点试验设备;(c)试验试品与拉力;(d)试验前的试品构造;(e)缩小全过程中的试品形变构造;(f)试品形变全过程的整场定性分析。

图5:根据上海光源的微纳米点阵超材料原点裁切力学实验

在我国智能制造、微纳生产制造等重特大我国要求牵引带下,对于“增材制造先进材料与构造內部整场形变及损害演变的精准定性分析”这一长期性困惑实验力学的重要短板难点,科学研究工作人员融合我国大科学装置,并在实验方法和优秀仪器设备仪产品研发层面进行有关基础学科难题科学研究与重要卡脖子技术科技攻关,构建了压电陶瓷片驱动器的原点载入设备及整场检测系统软件,进行了“微纳精密度”同步辐射原点试验,将国际性上目前参考文献报导的对于微纳增材制造的三维整场定性分析精密度提升 近2.5倍,提升了长期性困惑实验力学的內部形变定性分析短板难点。在国际性上初次对于微纳增材制造缺陷开展三维定量分析定性分析,并初次明确提出6种典型性缺陷方式,进行了有关图象有限元分析仿真模拟,表明了微纳米超材料的典型性生产制造缺陷-物理性能关联方交易出示关键重要科学研究直接证据,并且为微纳米限度极端化生产制造加工工艺提升出示关键技术性支撑点。本新项目科学研究扩展了大科学装置在结构力学、增材制造等最前沿交叉式行业的运用,为在我国微纳米机械设备超材料科学研究领先全世界出示了关键试验研究思路方式自主创新,并且为微纳米超材料的生产制造一致性基础研究出示重要科学研究直接证据支撑点。

有关研究成果各自发布在《中国科学物理学力学天文学》,《中国科学技术科学》,《材料与设计》等国际性刊物上(ScienceChina Physics, Mechanics & Astronomy, 63, 104611, 2020; Science ChinaTechnological Sciences, 63(4), 561-570, 2020; Materials and Design, 192, 108743,2000),科学研究工作中获得自然科学基金(11702023;11802031; 11972081)和北京科委新能源技术重点(Z181100004118002)的支助。


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