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標題: 增材制造工藝 l 3D打印多材料、多尺度和多功能仿生多孔结構 [打印本頁]

作者: admin 時間: 2022-12-5 17:41
標題: 增材制造工藝 l 3D打印多材料、多尺度和多功能仿生多孔结構
繁杂設計的仿生布局很难用經由過程傳统的制造工藝制造，固然操纵金属電弧焊和CNC加工等傳统加工法子可以制造出繁杂的布局，但這些加工工藝触及到質料的挥霍，由于這些加工工藝大可能是經由過程從工件中減去質料来構建的。

AM-增材制造供给了一種别出心裁的仿生布局的制造法子，當前的仿生钻研愈来愈依靠于3D打印-增材制造技能的利用，由于利用這類制造工藝設計和構建優化布局是可行的。

本期谷.專栏連系将連系《Lessons from nature: 3D printed bio-inspired porous structures for impact energy absorption – a review》這篇论文，解读3D打印多質料、多標准和多功效仿生多孔布局的技能近况及利用近况。

原文链接：

多孔布局-来自豪天然的灵感

3D科學谷白皮书

增材制造工藝

家喻户晓，AM-增材制造是一種繁杂的制造技能，利用逐层法子毗連質料并構建总體布局，而不是經由過程利用減材或按照模具来成型的制造法子實現所需的布局。

常见的可用于仿生多孔布局制造的AM-增材制造技能包含質料挤压 (ME)、質料喷射 (MJ )、粉末床熔融 (PBF)、光固化 (VP) 和粘结剂喷射 (BJ)。

l 質料挤出

两重挤压質料挤出技能已被用于制造重量轻且坚忍的抗打击仿生布局。在很多效仿天然的設計中，多質料3D打印具备将刚性和柔嫩質料集成在单個布局中的上风。但是，较差的概况質量、迟钝的打印速率和尺寸限定是该進程的一些限定，依然必需解决。不外，整體来讲因為低本錢質料和喷嘴的可用性，質料挤出3D打印技能因其在硬件和軟件方面的多功效性而得到了遍及的接管。

l 質料喷射

質料喷射 (MJ) 增材制造工藝，可将光敏聚合物树脂液滴喷射到工件上并利用紫外線 (UV) 射線固化它们。在質料喷射進程中可以同時沉积多種 UV 可固化質料，以出產多質料物體。

高辨别率、滑腻的概况和利用多種質料3D打印的能力都是制造仿生布局的關头上风。多質料喷墨3D打印可使用单體墨水同時制造坚忍和坚韧的布局部件，今朝科學家们钻研了多質料喷射3D打印的能力，以制造可以經受高速打击的防护装甲，其灵感来自古代鱼類的外骨骼、種子荚和具备定制概况粗拙度的柔性仿生沙鱼皮等等。

l 光固化

钻研表白可以選擇光聚合丙烯酸树脂（尺度夹杂赤色）来打印仿生陀螺布局。不泡腳祛濕瘦身,外，這是一個相對于耗時且昂贵的進程，而且，可供選擇的打印質料有限。别的，光固化反响的動力學和固化進程都很繁杂。光源的强度和层表露的時候长度是影响每层厚度的重要参数。

光固化3D打印還可以有用地用于繁杂纳米复合質料的增材制造，在這方面，連系仿生學布局，為產物带来使人線人一新的功效。

l 粉床熔融

固然粉末床熔融3D打印工藝的重要错误谬误包含费時、相對于昂贵，但是當将這類工藝利用與仿生多孔布局的制造時，這類工藝成绩繁杂细節的上风就充實的阐扬出来。

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拿新型热互换器来举例，按照3D科學谷的领會，今朝金属增材制造工藝（如激光粉末床熔融）可以或许打印很是薄壁的質料。可以樂成出產诸如 0.1 毫米厚的壁，固然這并不是没有挑战，凡是必要對工藝参数举行研發以出產這些薄壁布局。但是，薄壁特征使其成為热互换器的抱负選擇。

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而在骨科植入物方面，金属增材制造工藝（如激光粉末床熔融）可以或许實現更好的力學機能，使得植入物與人體更可以或许“友爱”相处。

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在質料方面，粉末床熔融3D打印-增材制造工藝可用于出產各類質料的热互换器，按照3D科學谷的市場察看，從铝合金一向到高温合金，如 Inconel 718 和 Inconel 625，和其他質料，如铜和铜合金也可使用，這些質料是傳热利用的抱负選擇。

工業利用

因為當前3D打印-增材制造在几何外形、工藝速率、概况光潔度及其原質料和装备本錢方面的限定，工業利用依然仅限于航空航天、醫療和钻研范畴。

多孔質料具备遍及的利用，比方振動節制、減震、隔热、增长热互换效力等等。但是，當前的方针利用集手工藝材料,中在轻質布局和耐撞性利用，出格是它们的高能量刚度、高能量强度和能量吸取特征。

按照3D科學谷的市場察看，塑料多孔布局的工業级利用方面，用反响打针成型制得的玻璃纤维加强聚氨酯泡沫塑料，已用作飞機、汽车、计较機等的布局部件；而用空心玻璃微珠填充聚苯并咪唑制得的泡沫塑料，質轻而耐高温，已用于航天器中。别的，高機能化已成為泡沫塑料钻研的新標的目的和热門。高機能泡沫塑料可以作為承载的布局質料在航空、航天、交通運输等范畴利用，如卫星太陽能電池的骨架、火箭前真個整流罩、无人飞機的垂直尾翼和巡航导弹的弹體弹翼、舰艇的大型雷达罩等。

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在金属多孔布局方面，固然在減震能力上，金属點阵布局其實不像塑料點阵布局那样具有上风，但是繁杂的金属點阵布局可以供给出色的產物機能-不管是在效力和功效方面。而且為组件轻量化打開了廣漠的設計空間，還可以提高傳热、能量吸取、绝缘和提高毗連機能。

今朝在金属增材制造中，数百個變量可能會影响進程的成果和制造零件的質量。可能會呈現分歧類型的重要缺點，比方構成孔隙、構成不必要的微觀布局、残存应力和微裂纹。

當触及到轻量化应历時，點阵晶格多孔布局削減了零部件的重量和制造時候。對付航空航天、汽车等利用，任何零部件的質量削減直接影响其燃料损耗（或是電能的损耗），這對更高的燃料效力和更低的碳萍踪的需求正在增长。

可以預感，仿生學多孔質料在減重、提高热互换效力、減震、乃至是透风透气等方面将得到一系列的贸易利用。

軟件主動化趋向

跟着技能的改良和新軟件东西的呈現，增材制造的仿生設計呈現了有趣的主動化趋向。

在設計轻量化布局零件時，必要連系全部零件的功效實現，综合斟酌空地精度、空地率、空地外形、空地巨细、孔散布和互相之間連通性等身分。轻量化布局零件由根基布局、形状布局及超轻布局合成。在這個進程中，表現出設計能力的程度，這時辰，辅助設計軟件应運而生。

按照3D科學谷的市場钻研，在這方面除老牌的建模軟件企業诸如欧特克的Fusion 360軟件，和專注于3D打印范畴的老牌企業诸如Materialise公司，市場上還呈現了一些草創企業v臉面膜,，比方ParaMatters(已被Carbon收購）, nTopology,和Carbon研發的Carbon Design Engine 等等。

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這些軟件给仿生多孔布局質料技能带来极大的阐扬空間，包含外形渐變布局,缔造复合質料，泡沫夹心板布局，及其他布局質料。不但仅是将自由的几何繁杂性举行到极致，還给設計师带来极大的自由度。

总的来讲，仿生學在增材制造中的利用正在敏捷增加。這些增材制造零件具备現實的工程利用。很少有缘由是因為金属粉末的可用性、得當軟件东西的開辟和對投資技能的公司的樂趣。

总结

乔布斯(Steve Jobs) 曾说過，21世纪最佳的立异是将生物學與技能相交织。

在設計航空航天或汽车部件時，此古人類可能從未想過向蚂蚁和寻光植物细胞追求建议，但若利用創成式設計軟件来塑造零件的設計，不外這一切已不是空想，現實上已在做了。

大天然已開辟出具备一般最好特征的布局。钻研職員可能會從這些資本中受益，多孔布局在質料的抗打击性方面具备首要感化。每種生物質料在某種水平上都是多孔的，它们具备各類情势和密度。多孔質料通經常使用于3D打印-增材制造增长能量吸取和減轻总體重量的利用中。這些布局有可能被用作坚忍、轻質的组件，详细取决于它们的設計方法。

3D 打印可以或许制造几近任何外形的布局，仿生學與3D打印技能的連系可以制造具备加强物理特征的質料和布局，以用于分歧的工程利用。

3D科學谷經由過程本系列專栏《3D打印多質料、多標准和多功效仿生多孔布局》先容了仿生多孔布局的分歧種别，并肯定了包括這些特性的物種。大大都近来和曩昔對這些物種的查询拜访都是基于仿照和實行的特性举行會商的。本期文章重點先容了用于制造繁杂仿生多孔設計的四種首要的增材制造工藝。最后，总结了用于3D打印的質料，列出了每種工藝的優错误谬误。

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