微纳金属3d打印设备技术应用：AFM探针？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2024-03-16 08:00 标签： 金属3d打印设备
2017-05-09 16:04
来源:
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一、引言
3D打印技术被认为是“一项将要改变世界的技术”，第三次工业革命的重大标志。复杂三维微纳结构在微纳机电系统、生物医疗、新材料、新能源、微纳传感器和印刷电子等领域有着巨大的产业需求，微纳尺度3D打印在复杂三维微纳结构、高深宽比微纳结构以及复合材料三维微纳结构制造方面具有突出的潜能和优势，而且还具有设备简单、成本低、可使用材料种类多、无需掩模或模具、直接成形的优点。
二、微纳尺度3D打印研究进展
随着3D打印和微纳科技的迅猛发展，为了满足不同领域和行业的需求，近年国内外研究人员已经开发出多种类型微纳尺度3D打印工艺、打印材料和转隔壁，并应用于多种领域和行业。
微立体光刻
微立体光刻是在传统3D打印工艺—立体光固化成型基础上发展起来的一种新型微细加工技术，与传统的SL工艺相比，它采用更小的激光光斑、数值在非常小的面积发生光固化反应，微立体光刻采用的层厚通常是1~10μm。根据层面成型固化方式的不同划分为：扫描微立体光刻技术和面投影微立体光刻技术。前者加工效率较低、成本高，后者通过一次曝光可以完成一层的制作，成本低，极大提高工作效率。
基于双光子聚合激光3D直写
基于双光子聚合激光3D直写提不同于传统的微粒体光刻，它是基于双光子聚合原理，是目前实现纳尺度3D打印最有效的一种技术。与现有的其他工艺相比，双光子聚合能够制造出更高分辨率的三维微纳结构。
电喷印
电喷印亦称为电流体动力喷射打印，由Park和Rogers等人提出和发展的一种基于电流体动力学微液滴喷射成型沉积技术，与传统喷印技术采用“推”方式不同，EHD喷印采用电厂驱动以“拉”方式从液锥顶端产生极细的射流。电喷印具有兼容性好、成本低、结构简单、分辨率高等优点，尤其是对于高黏度液体能够打印出比喷头结构尺寸低一个数量级的图案。目前它已经被看作最具有应用前景的微纳尺度3D打印技术之一。
微激光烧结
微激光烧结是在传统3D打印SLS基础上开发的一种微尺度3D打印技术。微激光烧结所制造的结构其分辨率和粗糙度都提高一个数量级。
电化学沉积
电化学沉积是一种制作任意形状三维金属微结构技术。它可以直接批量生产复杂三维、高深度比微尺度金属结构。EFAB能够制作出各种微机械器件，MEMS，微光机电系统，还可以将其用于一些特殊领域。尤其是可以直接、快速、批量生产出复杂、高深度比三维金属微结构。
三、微纳尺度3D打印典型应用
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超材料和先进材料
微纳尺度3D打印为超材料、复合材料、功能梯度材料、变密度材料的研制提供了一种强有力的工具使得许多原本是概念性的设计成为现实，尤其是超材料成功开发对于航空航天、高速列车、汽车等行业具有非常重要的意义。
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生物组织器官和血管
德国弗劳霍夫研究所的科学家采用基于双光子聚合激光直写3D打印技术尝试制造“人造血管”。打印出来的血管可以与人体组织相互“沟通”，不会遭器官排斥，打印时使用的“墨水”是生物分子与人造聚合体。当然，这只是目前人们的良好愿望，能否做到真正的无免疫排斥，可能还有一段路要走。但无论如何，这项技术为未来血管外科发展会带来非常大的变化，甚至是革命性的变化。
四、微纳尺度3D打印材料
材料是微纳结构增材制造技术最重要的工艺要素之一，对于所制造的微纳结构的精度、分辨率、性能等有非常重要的影响。
3D打印所使用材料总的发展趋势是:可重复利用、功能性材料。此外，能够提高分辨率、生产效率也是其重点发展方向。
五、微纳尺度3D打印面临挑战、未来发展方向及趋势
尽管微纳尺度3D打印已经取得重大的进展和突破，但在打印分辨率、效率、成本、可靠性、装备等方面还不能满足当前组织工程、航空航天、生物医疗、微纳光学等行业的实际工程要求，尤其是目前还不能成功打印出功能性毛细血管，严重制约了组织器官的普及和实用化。
面投影微立体光刻、双光子光刻、微激光烧结、亚微尺度的多材料电喷印系统、CLIP代表着未来微纳尺度3D打印的发展方向。复合3D打印技术、大面积宏/微/纳跨尺度3D打印、多喷头和多材料3D打印、柔性电子器件3D打印、纳尺度4D打印是未来几年亟待突破的方向，工业级微纳尺度3D打印设备，低成本、环保、功能打印材料、复合材料、纳米材料以及生物兼容材料是未来微纳尺度3D打印技术亟待突破的领域。毛细血管、轻量化材料、超材料、组织器官、柔性电子、微纳光学器件、亚微尺度复杂三维金属结构/零件的制造是当前微纳尺度3D打印在应用方而的研究热点。
此外，基于物理/化学/生物等原理的微纳结构增材制造新方法与新工艺，复合微纳尺度3D打印、4D打印技术以及基于微纳结构增材制造的宏/微/纳跨尺度研究也是未来重点亟待突破的方向。
尽管目前3D打印还处于发展初期，面临许多挑战难题，但其潜力和社会需求以及影响力是巨大的。
文章来源：《中国科学》杂志社
作者：兰红波、李涤尘、卢秉恒
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金属3D打印从小零件到发动机时至今日，金属增材制造技术制造的金属材料零部件越来越多的被成功应用于航空航天，国防军工、医疗器械、汽车制造、注塑模具等领域。可以说，金属增材制造技术在制造行业具有更广阔的应用舞台，是增材制造领域对制造业来说最有应用价值的先进制造技术。主要体现在以下几个方面：—成形传统工艺制造难度大的零件在制造领域，有些零部件形状复杂、制备周期长，应用传统铸造锻造工艺生产不出来或损耗较大。而金属增材制造技术则可以快速制造出满足要求的零部件，并具有加工周期短、制造成本低、无需工装和模具等优势。—制造高成本材料零件金属材料是制造领域必不可少的重要材料，但是在实际的加工过程中，却存在不少问题，例如钛合金、高温合金、超高强度钢等材料难加工、加工成本高、材料利用率低，加工周期长等。金属增材制造技术所采用的激光、电子等高能束密度高，速度快，极大的改善了金属材料的加工难度，并提高了材料利用率及降低了原材料成本。（文章内容来源于网络）—快速成形小批量非标件3D打印非常适合个性化定制生产、小批量生产。当前，金属增材制造的个性化制造在医疗器械的应用极为突出，一方面用于打印具有个性化需求的植入物/假体或模仿仿生原理的复杂结构。这些植入物通过3D打印技术的精确控制，有效实现外在轮廓及内部结构的同步重建，以满足其与患者局部解剖结构的高度匹配。个性化、小批量生产已经成为当前制造业发展的趋势，金属3D打印摆脱了模具制造这一关键技术环节，可以随时调整参数。除了医疗器械行业，在其他行业也极具应用潜力。例如航空航天零件结构复杂、成本高昂，一旦出现瑕疵或缺损，只能整体换掉，可能造成数十万、上百万元损失。而通过金属3D打印技术，可以用同一材料将缺损部位修补成完整形状，修复后的性能不受影响，大大延长了使用寿命，降低了成本，减少了停机时间。而除了航空航天领域外，机械、能源、船舶、模具等行业也对大型装备的高性能快速修复提出了迫切需求。增材制造技术改变了传统的制造方式，为复杂金属结构功能件的直接制造提供了新思路，对于制造业而言有着广阔的应用前景。火箭发动机靠3D打印提高性能卫星在我们的生活中发挥着至关重要的作用。它们不仅提供有关地球云层、海洋、陆地和空气的信息（从而使科学家能够预测天气和气候），而且它们对于日常通信等也至关重要。但你知道卫星尺寸也在一直缩小吗？如今，卫星的生产成本更低，因为它们比以前的版本更轻，从而降低了发射成本。因此，大家也在着手制造更小、成本更低的火箭来支持它们，Launcher公司就是火箭制造领域的代表之一。该公司结合液体推进技术和金属 3D 打印，制造高效火箭和运载工具，将小型卫星送入轨道。值得注意的是，他们构想了低成本的 Launcher Engine-2 (E2) 火箭发动机，该发动机已针对大规模生产进行了优化。它的目标是成为同类产品中性能最高的液体火箭发动机，并致力于成为轻型火箭发射器的核心推力部件。为了实现这一创新设计，Launcher 最终选择了属增材制造技术。（文章内容来源于网络）为什么选择金属增材制造？当然，如果 Launcher 制造发动机完全可以选择其他任何技术，他们为什么偏偏转向金属增材制造，更具体地说是 Velo3D 的解决方案？这主要归因于金属增材制造有几个好处，尤其是在降低成本和设计自由度方面。此外，选择增材制造技术更重要的一点是为了要满足制造需求：零件无法使用内部支撑或倾斜来制造，而3D打印能够在无支撑的情况下打印零件。向纳米级拓展金属3D打印的新突破近日，化学家 Liaisan Khasanova 用不到一分钟的时间就将一根普通的二氧化硅玻璃管变成了非常特殊的 3D 打印机的打印喷嘴。化学家将只有一毫米厚的毛细管插入蓝色装置中，关闭翻盖并按下按钮。几秒钟后，会发出一声巨响，喷嘴就可以使用了。来自德国的科学家解释说：“设备内部的激光束加热管子并将其拉开。然后，我们突然增加张力，玻璃在中间断裂，形成非常锋利的尖端。”这意味着，在某些情况下，喷嘴的开口必须同样小，以至于只有一个分子可以挤过。“我们正在努力将3D打印技术发挥到极限。他们的目标是：打印一个金属级原子物体。”这位科学家的意思可以理解为纳米级3D打印——换句话说，对只有几十亿分之一米大小的物体进行3D打印。特别是对于金属物体，他可以设想在微电子、纳米机器人、传感器和电池技术等领域的许多应用：“这些领域的各种应用都需要导电材料，因此金属是完美的解决方案。”虽然塑料的 3D 打印已经发展到纳米级尺寸，但事实证明使用 3D 技术制造微小的金属物体更加困难。对于许多高级应用来说，使用某些技术打印出的结构仍然大了一千倍，而使用其他技术则不可能制造出具有必要纯度的物体。虽然塑料的3D打印已经发展到这些纳米尺度，但事实证明，使用3D技术制造微小金属物体更加困难。在某些技术中，印刷结构对于许多先进应用来说仍然是一千倍大，而在其他技术中，不可能制造出具有必要纯度的物体。另一位科学家专门从事电镀，这是电化学的一个分支，悬浮在盐溶液中的金属离子与带负电的电极接触。带正电的离子与电子结合形成中性金属原子，沉积在电极上，形成固体层。可应用于电池技术完成电动汽车秒充电科学家的一个目标是提高充电速度，比现有型号快一千倍。如果能够实现，你可以在几秒钟内为电动汽车充电，其原理是在充电过程中大幅缩短电池内部离子的路径。为此，目前扁平的电极必须具有三维表面结构。在目前的电池设计中，充电需要很长时间，因为电极相对较厚且相距较远。还有一个主要障碍是，锂化合物具有高反应性，只能在受控条件下处理。出于这个原因，该团队最近获得了一个超大版本的实验室手套箱，这是一个气密密封室，可以充满惰性气体，如氩气。（超大金属3D打印手套箱）除了电池技术，这位化学家还在研究其他大胆的概念。他想使用他的印刷技术来生产金属结构，从而比迄今为止更有针对性地控制化学反应。这些计划在一个相对年轻的研究领域发挥作用，称为自旋电子学，该领域专注于“自旋”的操纵—电子的一种量子力学特性。金属3D打印安全总是最重要的正如上面的实验中提到的，3D打印，尤其是金属粉末的处理必须格外小心，并且在可能的情况下，应在保护性气氛中进行。目前，全封闭的工艺流程正在被设备制造商所重视，以SLM Solutions为代表的金属打印机品牌商从粉末的灌装、清理甚至中途加装等所有流程均实现了全封闭操作，这种空间分割或封装最大程度的减少了粉尘的暴露和危害。在这种情况下，3D打印手套箱就成为了一种优先的设备选择。（大型金属3D打印手套箱）3D打印技术作为一项前沿性、先导性非常强的新兴技术，对传统制造业的工艺改造和新材料的广泛应用具有颠覆性的意义和作用。我们制造的3D打印手套箱（增材制造保护手套箱）针对航空航天特殊零部件的加工所需要的环境而设计的：3D打印设备一般采用送粉成型或铺粉成型两种，每种成型设备其需要的手套箱设计要求不同，为此需要啊根据不同需求来设计手套箱提供可靠的解决方案。金属3D打印惰性气体保护系统是一套高性能、高品质的自动吸收水、氧分子的超级净化防护手套箱，提供一个纯化工作环境需求的密闭循环工作系统，可以满足特定清洁要求应用的1ppm的O2和H2O惰性的氛围环境。实现了将选择性激光溶化装置本体放置在一密封箱体内，该密闭箱体与多级粉尘手机装置和风循环装置形成闭环，氩气在该闭环内循环，系统中的气氛水含量达到小于1PPM指标，氧含量达到小于1PPM指标，实现超高纯工作气氛的环境，加工的产品可直接应用，减少再处理环节，是一套满足科研开发而设计的经济型循环净化系统。（大型金属3D打印手套箱）技术优势●解决3D打印手套箱大体积密封的可靠性。●解决3D打印手套箱信号线及动力线高度集成进箱密封防干扰问题。●解决3D打印手套箱工作时烟尘净化问题及过滤器更换周期及寿命问题。●人性化专业化设计，箱体外形美观，箱体上大型门的密封性极好，开启方便简单。●解3D打印手套箱送粉器送粉进气或铺粉设备镜头吹气与手套箱箱体压力控制。更多金属3D打印安全保护技术关注伊特克斯手套箱

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