电场驱动喷射沉积3D打印

多材料多尺度3D打印是当前增材制造的前沿方向、研究难点和亟待突破的关键技术,它在组织工程、新材料、新一代电子产品、OLED、印刷电子、软体机器人等诸多领域有着非常广泛的应用,但是现有的增材制造技术在实现多材料跨尺度3D打印面临许多挑战性难题.材料喷射沉积成形技术在实现多材料多尺度3D打印具有非常突出的优势和巨大的潜能,本文提出一种电场驱动喷射沉积3D打印新方法,它突破了现有材料喷射沉积3D打印在打印材料、接收衬底、喷嘴材料、跨尺度制造等方面的一些不足和限制性,尤其是结合多喷头技术,能够实现跨尺度多材料复杂三维结构一体化制造.首先,阐述了该方法的基本原理,并通过理论分析和数值模拟揭示了其成形机理;随后,通过系统的实验研究,验证了电场驱动喷射沉积3D打印对于衬底(或者已打印结构)材质、打印高度和位置、导电和非导电喷嘴、打印材料普适性,以及所提出的两种工作模式在实现跨尺度制造方面的可行性和有效性;最后,通过4个典型打印案例,展示了提出的电场驱动喷射沉积3D打印在实现异质、跨尺度复杂三维结构化制造的能力和突出优势,证明了它在实现多材料多尺度3D打印方面的可行性和有效性.本研究为探索低成本多材料跨尺度3D打印提供了一种全新的解决方案.     

4D打印形状记忆聚合物材料的研究现状与应用前景

形状记忆聚合物材料是一种在外界环境刺激下可发生主动形状变化的智能材料.基于这种智能材料的可变形结构在航空航天/生物医学等诸多领域显示出了巨大的应用潜力.但传统加工工艺限制了这种智能结构设计的复杂性和灵活性.4D打印技术作为智能材料的增材制造技术为形状记忆聚合物材料的进一步发展提供了新的契机.同时,4D打印形状记忆聚合物材料结构的实现为柔性电子/智能机器人/微创医学等高科技产业带来了全新的,更具智能化的发展方向.本文首先综述了4D打印形状记忆聚合物材料近年来的国内外研究进展,总结了4D打印形状记忆聚合物的实现方式及材料性能,然后介绍了基于形状记忆聚合物材料4D结构在各领域的应用研究,最后指出了4D打印形状记忆聚合物材料存在的问题及未来发展方向.     

微纳尺度3D打印

复杂三维微纳结构在微纳机电系统、生物医疗、组织工程、新材料、新能源、高清显示、微流控器件、微纳光学器件、微纳传感器、微纳电子、生物芯片、光电子和印刷电子等领域有着巨大的产业需求,然而现有的各种微纳制造技术无论从技术层面还是在生产率、成本、材料等方面还难以满足高效、低成本批量化制造复杂三维微纳结构的工业级应用的需求.高效、低成本批量化制造复杂三维微纳结构(尤其是大面积复杂三维微纳结构)一直被认为是一项国际化难题,也是当前国际上学术界和产业界的研究热点,以及亟待突破的瓶颈问题.微纳尺度3D打印(微纳结构增材制造)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.微纳尺度3D打印被美国麻省理工学院(MIT)的《技术评论》列为2014年十大具有颠覆性的新兴技术.本文论述了近年国际上微纳尺度3D打印重要的研究进展和代表性研究成果,微纳尺度3D打印典型重大应用,阐述了微纳尺度3D打印当前面临的挑战性问题,并探讨了微纳尺度3D打印未来的应用前景和发展方向及趋势.为深入开展微纳尺度3D打印、增材制造和微纳制造的科学研究和工程化应用提供一定的借鉴和参考作用.     

多材料多尺度3D打印主动混合喷头的研究

多材料多尺度3D打印代表增材制造技术的前沿和未来发展方向,在功能驱动的"材料-结构-器件"的一体化制造,"创材"、"创物"和"创生"方面已经展示出巨大的潜能和广阔的应用前景.本文提出一种单喷头多材料多尺度3D打印新方法,针对核心功能部件——多材料主动混合喷头,开展了理论分析、数值模拟和实验验证的系统研究.提出一种多材料主动混合喷头,根据描述混合过程的物理方程(流体控制方程、湍流模型和稀物质扩散方程),阐述了叶轮直径、叶轮转速、流体黏度、体积力等因素对于混合效率和混合性能的影响及其规律;利用COMOSOL工程模拟软件,进一步揭示了叶轮直径、叶轮转速、流体黏度对于多材料混合的影响及其规律;最后,通过渐变色模型打印、变刚度模型打印和微尺度模型打印三个典型实验案例,验证了理论分析和数值模拟研究结果正确性和有效性.本研究为多材料多尺度3D打印奠定了理论基础,并为多材料多尺度3D打印装备的开发和工艺优化提供了重要理论支撑和方向性指导.     

4D打印形状记忆聚合物在生物医疗领域的研究进展

形状记忆聚合物是一种在外界刺激条件下产生形状变化的智能材料, 4D打印是基于可变形材料和3D打印技术的一种综合性技术,可变形材料中形状记忆聚合物的应用最为广泛,目前4D打印形状记忆聚合物在各个领域都有应用,尤其是在生物医疗领域具有巨大的应用价值. 4D打印技术突破了传统医学领域个性化订制的技术瓶颈,为生物医疗领域的进一步发展提供了新的契机.本文首先综述了形状记忆聚合物、3D打印技术以及4D打印形状记忆聚合物在生物医疗领域的国内外研究进展,并介绍了4D打印形状记忆聚合物在生物医疗领域的实例和应用价值,最后总结了4D打印形状记忆聚合物在生物医疗领域的应用前景、存在的问题以及未来的发展方向.     

连续面曝光陶瓷3D打印

针对传统陶瓷3D打印存在打印效率低和成型件具有各向异性的不足和局限性,提出一种连续面曝光陶瓷3D打印新工艺,通过采用自主研发的复合富氧膜并结合配制的树脂基陶瓷浆料实现陶瓷素坯件的连续打印.阐述连续面曝光陶瓷3D打印的基本原理和工艺流程;研究陶瓷浆料的配制,并利用搭建的实验平台揭示了关键工艺参数对成形过程的影响和规律;最后,结合优化的工艺参数,通过两个典型案例(镂空件和薄壁件)连续3D打印,以及所打印的素坯件经脱脂烧结后性能的表征和测试,证实了提出方法的可行性和有效性.实现了陶瓷零件连续3D打印工艺,为探索高效、低成本连续陶瓷3D打印提供了一种全新的解决方案.     

基于均匀金属微滴喷射的3D打印技术

均匀金属微滴喷射技术是基于喷墨打印的原理,于20世纪90年代初提出并发展起来的一种3D打印技术.它是以均匀金属微滴为基本成型单元,依据零件形状特征逐点、逐层"堆积"而实现三维结构的快速打印技术,具有喷射材料范围广、无约束自由成形和无需昂贵专用设备等优点,在微小复杂金属件制备、电路打印与电子封装以及结构功能一体化制造等领域具有广泛应用前景.由于金属材料具有熔点高、易氧化、粘性和表面张力大等特点,与非金属材料喷射沉积有很大差异.本文分析了金属微滴喷射方式及其机理,概述了此领域国内外研究现状,并结合笔者研究实践,阐述了金属微滴喷射沉积需要解决的关键技术及实例,如微滴喷射装置开发、喷射成型参数优化等,并对该技术的重点研究方向进行了展望.     

增材制造技术及其在微波无源器件设计与制备中的研究现况与展望

滤波器、天线等微波无源器件是现代微波通信系统中必不可少的组成部分.但是,随着无线通信技术的飞速发展,微波无源器件不断小型化、复杂化,器件对尺寸精度要求愈加严格,传统加工工艺在制备小型化复杂结构微波元器件上出现了制约.而增材制造技术(3D打印)是一种快速、绿色、高精度的新兴制造技术,具有不需要模具、人工成本低、材料利用率高、成型精度高、可制备复杂结构的优点,为企业和个人的生产与设计带来革命性的变化.对于成型精度要求高、结构设计较为灵活的微波无源器件而言,增材制造的出现使其摆脱了传统制造工艺的束缚,进而更多结构复杂、性能优异的器件得以实现,因此增材制造技术对于微波无源器件的生产与设计具有重要意义.本文主要介绍了增材制造特点、增材制造原材料的研究现况,并论述了增材制造技术在微波无源器件设计和制备过程中的应用,最后阐述了增材制造微波无源器件面临的挑战与机遇,为今后微波无源器件的增材制造科学研究及工程应用提供了一定的参考作用.     

难加工材料场辅助超精密加工研究

场辅助超精密加工(field-assisted ultra-precision machining, FAUM)是一种先进的制造技术.基于传统的超精密加工技术,通过引入激光、超声振动和磁场等能场进行创新,实现了难加工材料纳米级甚至亚纳米级高精度制造.本文具体阐述了场辅助技术在切削、磨削和铣削等超精密制造领域应用的研究.通过分析加工表面质量、加工效率、切削力和刀具磨损等实验结果,与传统超精密加工技术对比,场辅助超精密制造技术具有明显优势.总结FAUM目前存在的不足及未来面临的挑战,为进一步发展多能场复合辅助超精密制造技术奠定基础.     

PDMS/SiC功能梯度衬底3D打印制备和性能研究

针对当前柔性电子、电子皮肤、可穿戴电子、软体机器人等领域使用的衬底面临挑战性的难题:难以同时满足一侧具有很好的柔性而另一侧具有较高刚度(变刚度功能梯度特性),以及散热性能和材料生物兼容性差的问题,本文提出一种PDMS/SiC功能梯度衬底,以PDMS为基体材料, SiC为增强相(填料);并且SiC含量在PDMS基体中从一侧到另一侧逐渐增大,呈现连续功能梯度和变刚度特性.为了解决现有技术难以制造PDMS/SiC功能梯度衬底的问题,提出一种基于多材料主动混合3D打印制造新方法,它能实现PDMS/SiC功能梯度衬底高效低成本制造.通过实验揭示了打印速度、背压、打印平台加热温度等主要工艺参数对打印衬底质量和性能的影响及其规律.利用提出的制备方法并结合优化的工艺参数,制造出高性能的PDMS/SiC功能梯度衬底.与传统的PDMS衬底相比,新型衬底其热导率提高了2.5倍; SiC含量50%一侧的杨氏模量增加了2.9倍,电学性能稳定;而且新型衬底刚度的空间变化呈现连续梯度特性.实验结果显示, PDMS/SiC功能梯度同时具有较好的柔性和较高刚度,而且还具有优良的散热性能,良好的绝缘性和生物兼容性,变刚度功能梯度特性,为柔性电子、电子皮肤、可穿戴电子、软体机器人等领域亟需的新一代高性能衬底提供了一种新的解决方案.     

气动膜片式多材料微液滴按需喷射技术研究

微滴喷射是通过产生微米级的液滴实现微量流体精确分配的技术之一,是一种不同于传统减法制造的非接触式、数据驱动的加法式制造技术,代表了现代制造工艺新的发展方向.本文提出了可用于多种材料的气动膜片式按需喷射技术并构建了用于在线观测并分析液滴形成过程的基于延时触发的图像在线采集系统.利用该装置,进行了微液滴喷射的一致性分析,研究了设备结构参数及控制参数与液滴大小及喷射速度的关系,并分析了粘度及表面张力对流体喷射过程的影响.此外,制作了直径约为160.5μm的Sn63Pb37焊球和与基底接触面直径约为346.94μm的光固化胶胶滴阵列图型.实验表明,该气动膜片式按需喷射系统结构简单、可靠性好、耐受高温,可用于包括聚合物、低熔点胶材、高熔点金属的多材料微液滴喷射,在微电子和微系统封装、三维打印、有机半导体器件制作以及生命科学与化学分析等制造领域具有较大的发展潜力.     

电化学三维微沉积技术及其研究进展

电化学沉积加工技术是一种以原子量级逐层堆叠方式来进行金属基材料制备与零件制造的特种加工技术,具有适用材料广、实施温度低(一般70℃以下)、应用形式灵活、易于控性控形、不受尺寸限制等优点,在面向金属微增材制造方面颇具发展潜能.本文主要介绍了以电化学沉积工艺为主体来制造三维金属微结构与零件的代表性技术,包括掩膜电沉积、即膜沉积、electrochemical fabrication(EFAB)、局域生长电沉积、喷射电沉积、电化学打印、月牙形电解液约束三维电沉积成形、电化学扫描隧道显微镜技术等,着重阐释了它们的工艺原理、关键技术、优势与不足以及存在的主要问题和挑战,并对该技术领域未来的发展趋势和研究重点进行了展望.     

全球3D生物打印技术研究态势分析

本文以Web of Science核心合集数据库为统计源,对该数据库收录的3D生物打印技术的文章进行文献计量学分析,利用德温特数据分析软件(Derwent Data Analyzer,DDA)和VOSviewer可视化软件,对全球3D生物打印技术领域发展态势进行分析.Web of Science核心合集数据库收录3D生...     

基于核磁共振技术的石膏粉末型3D打印试样水理特性及裂隙渗流特性初探

基于石膏粉末的3D打印技术目前在岩石力学领域及石油领域应用广泛.为使该技术更广泛应用于有水条件下的岩石和油气工程,对真空渗透固化改进的石膏粉末型3D打印试样进行了水理特性和裂隙渗流特性研究.首先,借助SEM和低场核磁共振技术(NMR)研究了该3D打印试样的微观结构特征和孔隙分布特征.其次,分别对试样在自然吸水和有压饱和条件下开展了吸水→饱和→干燥的干湿过程试验,并借助NMR技术研究了试样干湿过程中的水分迁移特征.在此基础上,分别对干燥和饱和试样开展了单轴压缩试验,研究试样遇水软化特征.最后,基于NMR岩石驱替渗流分析成像系统,对4种含不同粗糙度(JRC)的裂隙打印试样开展了恒围压、渗透压的渗流试验,借助实时核磁T₂谱和成像研究了试样的裂隙渗流规律.结果表明,渗透固化的石膏粉末型3D打印试样内部大小孔隙分布均匀且连通性好,总孔隙度为18.4%;试样自然吸水时以中、大孔隙充水为主,有压饱和时其大、中和小三种孔隙均充水饱和;试样的自然吸水率、饱和吸水率以及饱水系数分别为6.01%, 8.8%和0.68,与一般砂岩很接近;相比干燥时,饱和试样的变形大、峰值强度降低明显,其...     

热固性树脂基复合材料的变革性制造方法研究进展

热固性树脂所特有的共价键交联网络结构,使其及其复合材料的降解回收再利用、连接、损伤修复、3D打印等成为世界难题,也对学术界和工业界提出了重大挑战.人们为此付出了巨大的努力,但并未取得预期效果.最近出现的自适应热固性树脂,为解决这些难题提供了新的机会.本课题组针对典型的自适应热固性树脂,构建了跨尺度热压辅助连接界面力学模型及有限元实现方法,研究了小分子介入的酯键交换反应原理,实现了自适应热固性树脂的无压力连接,连接界面的断裂能可达4000 J/m2,实现了自适应热固性树脂的循环3D打印,自适应热固性树脂基复合材料的损伤修复、基体和纤维的近乎100%的回收再利用,实现了工业用环氧树脂基复合材料中碳纤维和玻璃纤维的回收.这些方法有希望成为热固性树脂基复合材料的变革性制造技术.本文拟综述这方面的最新研究进展,并指出存在的问题和挑战,提出理论研究、材料设计、工业应用等未来发展方向.     

功能驱动的超材料结构数字化设计与3D打印

本文提出了一种以功能驱动的超材料结构数字化设计新方法,以实现电磁波传播方向90°偏折的伊顿(Eaton)透镜为典型应用目标,研究了其介电常数理论分布模型的数字化离散方法,获得了三维90°伊顿透镜介电常数离散化分布工程模型;通过理论计算建立起超材料单胞结构几何参数(木堆单胞结构柱宽ω与单胞尺寸a)与其等效介电常数之间的映射关系,从而实现三维90°伊顿透镜的工程模型向结构模型的转化;以光固化树脂(介电常数为3)、混合液体介质(介电常数从2.2到40)为原材料,采用光固化3D打印工艺,实现了液固耦合的三维90°伊顿透镜宏/微结构一体化制造;通过仿真和实验测试表明,所实现的三维伊顿透镜能够调控入射电磁波的传播方向,实现入射电磁波的90°偏折,且在12～18 GHz频段范围内具有宽频特性.本文所提出的数字化设计方法与3D打印工艺相结合,为实现面向电磁波传播调控的新型电磁波器件提供了一种途径.     

面向原子级表面制造的等离子体诱导原子选择刻蚀技术

制造正从以经验技能为基础的制造Ⅰ和以经典理论为基础的制造Ⅱ迈向以量子理论为基础的制造Ⅲ.尽管制造的这三个范式出现在不同历史阶段,但它们将并存,甚至在未来可遇见的时期内,制造Ⅱ还依然起主导作用.其中制造Ⅲ的核心领域将是原子及近原子尺度制造(ACSM),涵盖制造的精度、结构尺寸及材料去除、迁移、增加的尺度.原子级的表面制造是ACSM发展的一个重要领域.本文将介绍一种基于等离子体诱导原子选择刻蚀原理(plasma-induced atom-selective etching, PASE)的原子级表面制造技术.晶体表面不同成键状态的原子在等离子体刻蚀反应中具有不同的反应优先等级,而这种反应优先级的调控可通过改变等离子体活性粒子成分、浓度、温度等来实现.因而, PASE技术可以选择性去除材料表面的多余原子,并最终实现原子级表面的创成. PASE技术已成功应用于Si, SiC, Al₂O₃等硬脆单晶材料的抛光,采用CF₄-O₂等离子体,可直接实现上述材料研磨表面(S_a>100 nm)...     

镁合金成形加工技术

本文介绍了镁及镁合金的特点,总结了镁合金在汽车制造、电子电器工业、航空航天、体育器材、办公用品、生活用品等方面的应用,指出了镁合金在材料、性能和加工制造方面的发展方向。讨论了镁合金的各种加工性能和环境影响,总结了镁合金塑性加工技术的最新进展。     

选择性激光烧结3D打印用高分子复合材料

选择性激光烧结(selective laser sintering,SLS)是基于粉末床的激光3D打印技术.材料对成形件的精度和物理机械性能起着决定性作用,其中高分子基粉末是应用最早,也是目前应用最多、最成功的SLS材料,但是SLS高分子仍存在可用种类少和成形件性能较低等难题.通过添加微/纳米填料或者后处理浸渗等方法制备复合材料,来提高SLS成形件的某些性能以及增加SLS材料种类,已经成为SLS领域材料研究的热点和重点.本文将介绍SLS高分子复合材料的制备方法,综述国内外的研究现状,并对其研究趋势进行展望.     

大尺寸关节支架的3D打印及应用

人工关节假体的置换与长期植入后的失效问题将造成关节组织不可恢复的损失,小块可降解骨软骨关节支架具有恢复病变关节的力学环境和诱导新生组织生长的能力,为大尺寸关节病变缺损修复提供了新的治疗策略.大面积深层病变软骨关节病变位置的生理结构与力学环境的分析,以及多材料复合关节支架的仿生制造与手术方案是治疗方案开发的难点.本文提出一种新型多材料关节支架的仿生设计与制造技术和植入方法.以诱导组织生长为导向,选择聚乙二醇凝胶(polyethyleneglyco,PEG)、β-磷酸三钙陶瓷(β-tricalcium phosphate,β-TCP)、聚乳酸(polylactide,PLA)等生物材料开发新型支架;以羊膝关节为研究对象,通过反求工程、有限元分析和3D打印技术,利用有限的影像学数据信息,建立膝关节模型和易病变软骨区域;基于支架生理结构特征与关节缺损区机械承载能力的映射关系,建立大块仿生骨软骨支架的结构与稳定性固定结构.实验证明该支架在置换初期较好地恢复了缺损关节的力学环境.所提出的方法和支架有望为大面积骨软骨缺损的修复提供一种新的治疗方案.