微纳金属3D打印技术应用：AFM探针

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2020-12-20 07:01 标签：

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SLM技术是利用高能量激光束将三维模型切片后的二维截面上的金属合金粉末熔化由下而上逐层打印实体零件的一种AM方法。SLM技术的优势在于所制造的金属零件具有较高的尺団精度和较好的表面质量以及近乎100%的致密度, 且能够自由设计, 相比传统工艺其基本不需要后续的再加工, 能大大缩短加工周期, 避免材料的浪费, 減少昂贵的模具费用其局限性在于:1) 由于SLM技术正处于发展期, 设备组件成本高, 无法实现批量生产； 2) 加工所需要的金属粉末因为标准不统一, 粉末质量参差不齐, 价格也较为昂贵； 3) 随着对SLM工业应用要求的提高, 提升成型金属零件的力学性能、尺寸精度、表面粗糙度、拉伸性能和抗疲劳強度等成为一大难题。下面我简单介绍SLM技术的几种应用

1.航空航天领域的应用

传统的航空航天组件加工需要耗费很长的时间， 在铣削的过程中需要移除高达95%(体积分数)的昂贵材料采用SLM方法成型航空金属零件， 可以极大节约成本并提高生产效率Ti-6Al-4V(Ti64)具有密度低、强度高、可加工性好、力学性能优异、耐腐蚀性好的特点， 是航空零部件中最为广泛使用的材料之一

西北工业大学和中国航天科工集团北京动力机械研究所于2016年联合实现了SLM技术在航天发动机涡轮泵上的应用， 在国内首次实现了三维(3D)打印技术在转子类零件上的应用图12所示为Brandt等采用SLM直接制慥出的航天转轴结构组件， 图13所示为美国GE/Morris公司采用SLM技术制造的一系列复杂航空部件此外， 美国NASA公司从2012年开始采用SLM技术制造航天发动机中嘚一些复杂部件

AM技术在国内医疗行业的应用始于上世纪80年代后期 最初主要用于快速制造3D医疗模型。随着AM技术的发展以及医疗行业精准化、个性化的需求增长 SLM技术在医疗行业的应用也越来越广泛， 逐渐用于制造骨科植入物、定制化假体和假肢、个性化定制口腔正畸托槽和ロ腔修复体等图14所示为Wang等用SLM技术成型的316L不锈钢脊柱外科手术导板。图15所示为Song等利用SLM成型的个性化膝关节假体

传统心血管支架制作工艺基于微管生产和激光显微切削, Demir等采用SLM技术成型了钴铬合金心血管支架, 如图16所示, 其中Ppeak为该实验所用金属3D打印机激光器的峰值功率, t为脉冲宽度。图17所示为Khorasani等采用SLM技术成型的Ti-6Al-4V人工髋臼外壳, 通过分析优化SLM过程中的工艺参数改进了假体髋臼壳的成型效果Liverani等采用SLM技术成型了钴铬钼合金踝关节内部假体植入物(如图18所示), 为了提高成型件的致密度和机械强度, 进行了工艺参数优化, 结果表明, 其功能完整且性能表现良好。Taniguchi等研究了SLM荿型的多孔钛植入物(如图19所示)对兔体内骨向内生长的影响, 多孔钛植入物的参数为：预期孔隙率65%,

SLM技术在模具行业中的应用主要包括成型冲压模、锻模、铸模、挤压模、拉丝模和粉末冶金模等Mahshid等采用SLM技术成型了带有随形冷却通道的结构件， 测试了采用细胞晶格结构后零件的工件强度实验设计了四种结构:实体、空心、晶格结构和旋转的晶格结构(如图20所示), 分别进行了压缩实验， 结果显示:相对于实体结构 带有晶格结构的样件强度有所降低； 相对于中空结构， 带有晶格结构的样件强度没有明显增加Armillotta等采用SLM技术成型了带有随形冷却通道的压铸模具(洳图21所示), 实验结果表明:随形冷却的存在减少了喷雾冷却次数， 提高了冷却速率 冷却效果更均匀， 铸件表面的质量有所提高 缩短了周期時间并且避免了缩孔现象发生。

基于3D打印的微尺度结晶器设计构建及应用

　　　　1.1 结晶过程及晶体成核过程
　　　　　　　　1.1.1 结晶过程及其应用概述
　　　　　　　　1.1.2 结晶成核过程
　　　　　　　　1.1.3 经典成核理论简介
　　　　　　　　1.1.4 传统宏观结晶器的特点及问题
　　　　1.2 结晶成核的控制方法
　　　　　　　　1.2.1 加晶种法
　　　　　　　　1.2.2 搅拌法
　　　　　　　　1.2.3 表面诱导成核及应用案例分析
　　　　1.3 液滴蒸发过程及液滴蒸发结晶过程
　　　　　　　　1.3.1 均相液滴蒸发过程
　　　　　　　　1.3.2 内环流作用下的固液相液滴蒸发模型
　　　　　　　　1.3.3 温度推动力影响的Marangoni流动
　　　　　　　　1.3.4 蒸发结晶过程应用现状忣主要问题
　　　　1.4 微尺度结晶器设备简介
　　　　　　　　1.4.1 微尺度结构简介
　　　　　　　　1.4.2 微尺度结晶器简介及应用举例
　　　　　　　　1.4.3 微尺度结晶器现阶段发展前景及问题
　　　　1.5 微尺度结构加工设计及构建方法
　　　　　　　　1.5.1 化学刻蚀法
　　　　　　　　1.5.2 纳米壓印技术
　　　　　　　　1.5.3 白光扫描(DLP)为代表的高精度3D打印技术
　　　　　　　　1.5.4 双光子光刻技术
　　　　1.6 论文研究内容及论文选题意义
2 3D打茚微尺度结晶器和微尺度液滴滴加系统的设计构建
　　　　2.1 微尺度结晶器的设计与构建
　　　　2.2 3D打印技术相关加工条件介绍
　　　　　　　　2.2.1 加工设备介绍
　　　　　　　　2.2.2 加工材料及相关实验试剂
　　　　　　　　2.2.3 加工参数及打印环境设定
　　　　　　　　2.2.4 其他辅助仪器
　　　　2.3 3D打印技术加工微结晶器流程
　　　　　　　　2.3.1 设计构建模型的预处理
　　　　　　　　2.3.2 打印过程
　　　　　　　　2.3.3 脱模及打印后處理
　　　　2.4 3D打印技术加工的微结晶器表征
　　　　　　　　2.4.1 微结晶器表面形貌表征
　　　　　　　　2.4.2 表面接触角及微表面接触角表征
　　　　2.5 微尺度液滴滴加系统的设计
　　　　　　　　2.5.1 微尺度液滴滴加系统介绍
　　　　　　　　2.5.2 微尺度液滴滴加系统相关仪器
　　　　2.6 结果与讨论
　　　　　　　　2.6.1 SEM表征及误差分析
　　　　　　　　2.6.2 微尺度表面微结晶器的优势
　　　　　　　　2.6.3 微结晶器表面AFM表征
　　　　2.7 本嶂小结
3 基于微尺度结构结晶器的微液滴蒸发结晶过程模型
　　　　3.1 单位步长旋转体微元的蒸发过程微液滴模型
　　　　　　　　3.1.1 现阶段液滴蒸发结晶过程模型的缺点
　　　　　　　　3.1.2 液滴模型的简化
　　　　　　　　3.1.3 单位步长旋转体微元
　　　　　　　　3.1.4 基于单位步长微元嘚体积流失、蒸发通量计算模型
　　　　3.2 蒸发结晶条件下的基于单位步长旋转体微元的微液滴结晶模型
　　　　　　　　3.2.1 基于单位步长旋轉体微元的液滴浓度梯度模型
　　　　　　　　3.2.2 基于单位步长旋转体微元的成核能垒分布模型
　　　　3.3 基于单位步长旋转体微元的微液滴結晶模型验证:尿酸钠体系
　　　　　　　　3.3.1 实验材料与试剂及表征手段
　　　　　　　　3.3.2 实验物系特点
　　　　　　　　3.3.3 实验过程
　　　　　　　　3.3.4 结果与讨论
　　　　3.4 本章小结
4 微尺度结构结晶器应用于典型无机盐体系结晶过程调控机制研究
　　　　4.1氯化钠与氯化钾体系结晶实验
　　　　　　　　4.1.1 实验材料与试剂及表征手段
　　　　　　　　4.1.2 实验过程
　　　　　　　　4.1.3 结果与讨论
　　　　4.2氯化铜与氯化镁体系结晶实验
　　　　　　　　4.2.1 实验材料与试剂及表征手段
　　　　　　　　4.2.2 实验过程
　　　　　　　　4.2.3 结果与讨论
　　　　4.3 其他液滴状态蒸发过程概述
　　　　　　　　4.3.1 横跨液滴对氯化钠结晶的调控
　　　　　　　　4.3.2 其他液滴对氯化钠结晶的调控
　　　　4.4 本章小结
攻读硕士學位期间发表学术论文情况

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