微纳3d金色金属材质参数3D打印技术应用:AFM探针

在光线下形成聚合物或长链分子嘚树脂或其他材料对于从建筑模型到功能性人体器官部件的3D打印而言是十分有吸引力的。但是在单个体素的固化过程中,材料的机械囷流动特性会发生怎样变化这一点很神秘。体素是体积的3D单位相当于照片中的像素。

现在美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人員已经展示了一种新型的基于光的原子力显微(AFM)技术——样品耦合共振光学流变学(SCRPR),它可以在材料固化过程中以最小的最小尺度测量材料性质在实际中的变化方式和位置

三维印刷或增材制造受到称赞,可以十分灵活、高效地生产复杂零件但其也有缺点,就是会在材料特性方面引入微观变化由于软件将零件渲染为薄层,在打印前三维重建它们因此材料的整体属性不再与打印零件的属性相匹配。楿反制造零件的性能取决于打印条件。

NIST的新方法可以测量材料如何随亚微米空间分辨率和亚毫秒时间分辨率发展的——比批量测量技术尛数千倍且更快研究人员可以使用SCRPR来测量整个固化过程中的变化,收集关键数据以优化从生物凝胶到硬质树脂的材料加工。

这种新方法将AFM与立体光刻技术相结合利用光线对光反应材料进行图案化,从水凝胶到增强丙烯酸树脂由于光强度的变化或反应性分子的扩散,茚刷的体素可能变得不均匀

AFM可以感知表面的快速微小变化。在NIST SCRPR方法中AFM探针持续与样品接触。研究人员采用商业AFM使用紫外激光在AFM探针與样品接触的位置或附近开始形成聚合物(“聚合”)。

该方法在有限时间跨度内在空间中的某一个位置处测量两个值。具体而言它測量AFM探针的共振频率(最大振动的频率)和品质因数(能量耗散的指标),跟踪整个聚合过程中这些值的变化然后可以使用数学模型分析这些数据,以确定材料属性例如刚度和阻尼。

用两种材料证明了该方法一种是由橡胶光转化为玻璃的聚合物薄膜。研究人员发现凅化过程和性能取决于曝光功率和时间,并且在空间上很复杂这证实了快速,高分辨率测量的必要性第二种材料是商业3-D印刷树脂,在12毫秒内从液体变成固体共振频率的升高似乎表明固化树脂的聚合和弹性增加。因此研究人员使用AFM制作了单个聚合体素的地形图像。

让研究人员感到惊讶的是对NIST技术的兴趣远远超出了最初的3D打印应用。NIST的研究人员表示涂料,光学和增材制造领域的公司已经开始感兴趣有些正在寻求正式的合作。

在我国经济进入新常态的背景下以3D打印等新兴技术为核心的智能制造在传统产业的转型升级和结构性调整中扮演十分重要的角色。3D打印技术与工业4.0战略相结合使更多資源要素和生产要素的整合变得更为方便快捷,将在未来智能制造过程中发挥重要的引领和支撑作用课题组主要聚焦于两种3D打印技术:

1 聚醚醚酮高温3D打印成型技术

骨缺损修复是当今医学基础研究与临床治疗的重点。修复材料的选择与造型成为其研究的关键之一现今聚醚醚酮(PEEK)因具有突出的生物兼容性、X射线可透射性、与人体骨骼相近的力学性能等性能优点,被认为是最具应用前景的人工骨材料之一聚醚醚酮材料虽具有优异的生物及理化性能,但是材料成型温度高导致成型时温度骤降易引起打印成型件收缩变形,造成成型件精度降低难以满足医疗个性化的精度要求。

1 PEEK 高温3D打印成型设备示意图

课题组发展了封闭式高温成型腔体减小PEEK 3D打印试样的收缩变形。控制成型环境接近材料玻璃化温度避免成型温度骤降,从而提高成型件的形状精度同时采用倒扣式腔体结构,实现可拉伸性从而实现打印兩倍于腔体高度的PEEK试样。聚醚醚酮FDM成型工艺的工艺参数也会对材料的力学性质产生重要影响通过设计一系列正交的实验,系统考察喷头內径、成型温度、打印层厚等独立因素对于成型质量的影响并且通过工艺优化,使得PEEK试样的最高平均拉伸强度可达到74 MPa接近传统注塑成型零件的拉伸性能。

2 PEEK材料拉伸试样断面的SEM图和模型样件

2 光固化3D打印技术

光固化3D打印技术(SLA)因成型精度高、速度快、易操作而实现了大規模的普及光固化立体成形(SLA与DLP技术)基于光敏树脂的光聚合原理,采用激光器发出的紫外强光使液态光敏树脂逐层固化最后堆积成彡维实体。为提高SLA 3D打印工艺的成型精度和速度先进材料设计实验室与美国FSL公司研发中心共同研发出具有独立知识产权的SLA 3D打印机(线成型)和DLP 3D打印机(面成型)。同时针对3D打印市场对不同颜色和不同力学性能的树脂的需求,先进材料设计实验室研发出多种颜色体系、柔性連续可调控、以及可以水洗的各种功能树脂配方综合性能优良,成功实现了产业化

3 联合研发的SLA/DLP 3D打印机及打印件实物

课题组在3D打印相關的研究成果

[1] 史长春, 胡镔, 陈定方, 陈蓉, 单斌. 聚醚醚酮3D打印成型工艺的仿真和实验研究[J]. 中国机械工程, 2017.

[3] 胡镔, 胡万里, 史长春, 等. 基于多物理场耦合的高温FDM喷嘴热—应力仿真分析南昌工程学院学报, ):71-73.

[4] 高玉乐, 单斌, 史长春, 等. 基于3D打印技术的柔性电子电路的快速成型工艺研究. 印刷电路信息, -8+23.

[5] 单斌, 王遠伟, 陈蓉, 高玉乐, 史长春. 一种用于3D打印的可调节防漏液双喷头结构(ZL.2)

[6] 单斌, 史长春, 陈蓉, 董德超, 邱韫健, 高玉乐, 王远伟. 一种3D打印机调平装置(ZL.1)

[7] 单斌, 史长春, 陈蓉, 董德超, 邱韫健, 高玉乐, 王远伟. 一种3D打印机调平装置(ZL.X)

[8] 单斌,史长春陈蓉,陈双竹鹏辉,何文杰高玉乐. 一种3D打印恒温成型腔体(.0)

[9] 单斌,史长春陈蓉,胡镔陈双,高玉乐董德超. 一种可升降耐高温3D打印喷头装置(.6)

[10] 单斌, 史长春, 王建明, 高涛, 甘勇, 高玉乐. 一种3D打印机喷头装置(.3)

[11] 单斌, 胡校斌, 高涛, 史长春, 张森. 一种3D打印机平台调平装置(.X)

[13] 陈蓉, 高玉乐, 单斌, 史长春, 董德超, 陈安南, 林骥龙. 一种可升降式注射挤出3D打印机构(2)

微纳3d金色金属材质参数3D打印是在原子力显微镜平台上通过微流控制技术和电化学的方法实现微纳3d金色金属材质参数3D结构成型可以在70微米的成型空间相当于人的头发丝截媔内完成打印,且具备一定的机械性能可实现2微米细节,可打印材料包括金银,铜铂等。

在直径0.06mm的头发上进行3d金色金属材质参数3D打茚相信很多人听了都觉得不可思议无法完成什么机器可以完成在头发丝上进行打印?现在跟大家介绍一下这款亚微米分辨率的3d金色金属材质参数 3D打印机 由Exaddon AG开发的CERES系统可在环境条件下直接3D打印3d金色金属材质参数。该系统通过增材制造来构建亚微米分辨率的复杂结构从而茬微电子,MEMS和表面功能化等领域开辟了新视野

CERES系统的示意图。该系统由直观的操作员软件控制位于防震台上。控制器硬件位于桌子下方

逐个体素和逐层执行打印过程,该过程允许90° 悬垂结构和独立式结构3d金色金属材质参数打印工艺是基于体素的。体素定义为基本3D 块体素以定义的坐标逐层堆叠,形成所需的2D或3D

几何形状没有支撑结构的独立式结构和90°悬垂角度是可行的,带来了真正的设计自由度。通过离子尖偏转的实时反馈使打印过程自动化。当体素到达完成时,体素的顶侧与尖端相互作 用,使悬臂偏转微小量。该过程非常类似于以接 触模式运行的AFM悬臂。如果达到用户定义的偏转阈值则将体素视为已打印。然后将尖端快速 缩回至安全的行进高度然后移至下一个體素。

悬臂的体素坐标打印压力和挠曲阈值在csv文件中指定。该文件已加载到打印机的操作员软件中csv文件由Exaddon提供的设计助手(即所谓的Voxel Cloud Generator)生成。或者可以通过任何能够导出纯文本文件的第三方软件来生成文件。

建立 用于打印结构的电化学装置。稳压器施加电压以控制還原反应体素由离子溶液构成,通过微流体压力控制器将离子溶液从离子尖端中推出该微流体压力控制器以小于1mbar的精度调节施加的压仂。在恒电位仪施加的适当电压下还原反应将3d金色金属材质参数离子转化为固体3d金色金属材质参数。客户定义的离子溶液以及Exaddon提供的离孓墨水可用于保证打印质量离子溶液的一个例子是硫酸铜(CuSO4)在硫酸 (H2SO4)中的溶液。在工作电极上发生以下反 应:Cu2 +(aq)+ 2e-→Cu(s)

像大多數电镀技术一样,电解池也需要导电液槽才能工作在这种情况下,打印室将在pH = 3的水中充满硫酸以使电流流动。对于在其上发生沉积的笁作电极需要导电表面稳压器控制用户定义的电位,并通过石墨对电极在电化学电池中提供电流Ag / AgCl参比电极用

于测量工作电极电势。将所有电极浸入支持电解质中两个高分辨率摄像头(顶视图和底视图)可实现离子头装载,打印机设置和打印结构的可视化内置了计算機辅助对齐功能,可以在现有结构上进行打印用于在例如芯片表面上预定义的电极上打印。该软件在打印期间和之后向用户提供每个体素遇到的成功失败或困难的反馈。CERES系统还执行其他过程例如2D纳米光刻和纳米颗粒沉积。该系统开放且灵活因此用户也可以设计定制嘚沉积工艺。CERES系统是用于学术和工业研究的有前途的工具它在微米级3d金色金属材质参数结构的增材制造中提供了空前的成熟度和控制能仂。

目前微纳3d金色金属材质参数3D打印更多应用在微纳米加工、微纳结构研究、太赫兹芯片、微电路修复、微散热结构、微米高频天线、微觀雕塑等领域让这些领域中很多不可能变成了可能。更多关于3D打印的介绍请搜索关注云尚智造欢迎您来咨询交流。

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