增材制造路線圖:走向智能化和工業(yè)化（2）
時(shí)間：2022-04-15 11:19 來源：江蘇激光聯(lián)盟 作者：admin 閱讀：次
導(dǎo)讀：本文探討了AM技術(shù)研發(fā)中可能面臨的挑戰(zhàn)，為未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)搭建關(guān)鍵技術(shù)平臺(tái)。本文為第二部分。
5. 智能結(jié)構(gòu)
在過去的幾十年里，我們見證了對(duì)智能、集成和多功能結(jié)構(gòu)的日益增長(zhǎng)的需求，這些結(jié)構(gòu)需要復(fù)雜的內(nèi)部配置。因此，制造難度一直是智能零部件產(chǎn)業(yè)化過程中最大的障礙之一。AM已經(jīng)成為一種強(qiáng)大的技術(shù)，戰(zhàn)略性地集成了傳感、驅(qū)動(dòng)、計(jì)算和通信功能。其中一個(gè)例子是最近在3D打印纖維增強(qiáng)復(fù)合材料方面的創(chuàng)新，它使得分層和中空結(jié)構(gòu)的集成制造具有輕量化、高強(qiáng)度和低成本的優(yōu)點(diǎn)。
如一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，可打印磷酸鈣（PCaP）基油墨由顆粒和液相組成，由內(nèi)部制備（下圖）。對(duì)于1g可打印相，將660 mg研磨的α-磷酸三鈣微粒（α-TCP，平均尺寸3.83μm，Cambioceramics，荷蘭萊頓）與40 mg納米羥基磷灰石（納米HA，粒徑<200 nm，Ca5（OH）（PO4）3，Sigma-Aldrich）混合。液相由40%w/v水凝膠前體溶液組成，包括未改性的泊洛沙姆（Pluronic®F-127，Sigma-Aldrich）或定制合成的可水解、可交聯(lián)泊洛沙姆，其末端羥基通過接枝己內(nèi)酯低聚物和甲基丙烯酰基（P-CL-MA，CL為1個(gè)重復(fù)單元）進(jìn)行改性。
未改性（不可交聯(lián)）和改性（可交聯(lián)）泊洛沙姆分別溶解在PBS和添加25 mM過硫酸銨（APS，Sigma-Aldrich）的PBS中。在混合之前，將顆粒和液相在4°C下儲(chǔ)存30分鐘，以防止泊洛沙姆組分的熱凝膠化。隨后，將不可交聯(lián)（NC）或可交聯(lián)（C）泊洛沙姆添加到顆粒中，并通過在4°C下攪拌3分鐘手動(dòng)混合，以確保顆粒的均勻分布。隨后，將制備的非交聯(lián)PCaP油墨（NC-PCaP）和交聯(lián)PCaP油墨（C-PCaP）裝入配藥筒中，用固定帽封閉，并在4°C下儲(chǔ)存，直至使用。
材料成分示意圖，表示PCaP膏體的成分。
基于AM技術(shù)，可以構(gòu)建和制作具有特殊機(jī)械性能、光學(xué)性能、聲學(xué)性能或熱性能的超材料。圖8(a)顯示了一個(gè)負(fù)泊松比的人工皮膚，可以大大提高損傷區(qū)域的恢復(fù)速度，并減少疼痛。此外，AM具有良好的材料相容性，促進(jìn)了形狀記憶聚合物、液晶彈性體、水凝膠等傳統(tǒng)制造技術(shù)難以原型化的先進(jìn)材料的工業(yè)化。3D打印結(jié)構(gòu)傳送或處理信息也被報(bào)道為新型電子。例如，金屬基油墨的直接墨寫和表面貼裝電子元件的拾取放置已經(jīng)結(jié)合在軟電子器件的制造平臺(tái)上(圖8(b))。通過操縱電荷，提出了一種新穎的方法，將包括金屬和半導(dǎo)體在內(nèi)的功能材料置于任意3D布局中，以創(chuàng)建混合電子設(shè)備(圖8(c))。此外，AM技術(shù)已賦予結(jié)構(gòu)的傳感能力，通常基于電子元件。例如，可以在多材料AM程序中制造一種具有嵌入式壓阻應(yīng)變傳感器的組織培養(yǎng)裝置來監(jiān)測(cè)心臟組織的收縮。除了上述性能不變的結(jié)構(gòu)外，4D打印工藝還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境刺激做出動(dòng)態(tài)響應(yīng)的智能器件，包括可重構(gòu)、可編程形狀(圖8(d))、剛度、光學(xué)性能等。相關(guān)的應(yīng)用包括自部署裝置、藥物遞送、體敏致動(dòng)器等。
圖8 具有多種功能的智能結(jié)構(gòu):(a)具有熱收縮性能的人工皮膚;(b)金屬墨水直接墨寫與電子元件拾取相結(jié)合的AM平臺(tái);(c)導(dǎo)電和功能材料的電荷編程AM;(d) 形狀可變換結(jié)構(gòu)的4D打印。
盡管建造智能結(jié)構(gòu)的AM技術(shù)發(fā)展迅速，但仍有一些挑戰(zhàn)需要克服，如圖9所示。
(1) 除了3D和4D打印，AM系統(tǒng)現(xiàn)在正致力于融合不同的物理領(lǐng)域，并基于有效結(jié)合的傳感和驅(qū)動(dòng)能力，為復(fù)雜的多尺度結(jié)構(gòu)提供動(dòng)態(tài)響應(yīng)的n維(nD)打印。
(2) AM兼容材料庫應(yīng)擴(kuò)展到包括更多獨(dú)特的功能，并迫切需要智能AM工藝和設(shè)備來精確制造這些材料的多材料結(jié)構(gòu)。開發(fā)高精度噴嘴和提高不同材料間的界面兼容性是研究的重點(diǎn)。
(3)由于未來的工作環(huán)境可能包括外層空間、深海、火山等，3D打印結(jié)構(gòu)應(yīng)該在極端條件下具有魯棒性和多物理領(lǐng)域的適應(yīng)性。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之初，應(yīng)考慮不同的工作條件。通過解決這些困難，AM正朝著集現(xiàn)場(chǎng)診斷、柔性控制、全生命周期設(shè)計(jì)和自動(dòng)原型設(shè)計(jì)于一體的智能系統(tǒng)發(fā)展。
圖9 AM技術(shù)在開發(fā)智能結(jié)構(gòu)方面遇到的挑戰(zhàn)
5. 智能結(jié)構(gòu)
在過去的幾十年里，我們見證了對(duì)智能、集成和多功能結(jié)構(gòu)的日益增長(zhǎng)的需求，這些結(jié)構(gòu)需要復(fù)雜的內(nèi)部配置。因此，制造難度一直是智能零部件產(chǎn)業(yè)化過程中最大的障礙之一。AM已經(jīng)成為一種強(qiáng)大的技術(shù)，戰(zhàn)略性地集成了傳感、驅(qū)動(dòng)、計(jì)算和通信功能。其中一個(gè)例子是最近在3D打印纖維增強(qiáng)復(fù)合材料方面的創(chuàng)新，它使得分層和中空結(jié)構(gòu)的集成制造具有輕量化、高強(qiáng)度和低成本的優(yōu)點(diǎn)。
如一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，可打印磷酸鈣（PCaP）基油墨由顆粒和液相組成，由內(nèi)部制備（下圖）。對(duì)于1g可打印相，將660 mg研磨的α-磷酸三鈣微粒（α-TCP，平均尺寸3.83μm，Cambioceramics，荷蘭萊頓）與40 mg納米羥基磷灰石（納米HA，粒徑<200 nm，Ca5（OH）（PO4）3，Sigma-Aldrich）混合。液相由40%w/v水凝膠前體溶液組成，包括未改性的泊洛沙姆（Pluronic®F-127，Sigma-Aldrich）或定制合成的可水解、可交聯(lián)泊洛沙姆，其末端羥基通過接枝己內(nèi)酯低聚物和甲基丙烯酰基（P-CL-MA，CL為1個(gè)重復(fù)單元）進(jìn)行改性。
未改性（不可交聯(lián)）和改性（可交聯(lián)）泊洛沙姆分別溶解在PBS和添加25 mM過硫酸銨（APS，Sigma-Aldrich）的PBS中。在混合之前，將顆粒和液相在4°C下儲(chǔ)存30分鐘，以防止泊洛沙姆組分的熱凝膠化。隨后，將不可交聯(lián)（NC）或可交聯(lián)（C）泊洛沙姆添加到顆粒中，并通過在4°C下攪拌3分鐘手動(dòng)混合，以確保顆粒的均勻分布。隨后，將制備的非交聯(lián)PCaP油墨（NC-PCaP）和交聯(lián)PCaP油墨（C-PCaP）裝入配藥筒中，用固定帽封閉，并在4°C下儲(chǔ)存，直至使用。
材料成分示意圖，表示PCaP膏體的成分。
圖8 具有多種功能的智能結(jié)構(gòu):(a)具有熱收縮性能的人工皮膚;(b)金屬墨水直接墨寫與電子元件拾取相結(jié)合的AM平臺(tái);(c)導(dǎo)電和功能材料的電荷編程AM;(d) 形狀可變換結(jié)構(gòu)的4D打印。
盡管建造智能結(jié)構(gòu)的AM技術(shù)發(fā)展迅速，但仍有一些挑戰(zhàn)需要克服，如圖9所示。
(1) 除了3D和4D打印，AM系統(tǒng)現(xiàn)在正致力于融合不同的物理領(lǐng)域，并基于有效結(jié)合的傳感和驅(qū)動(dòng)能力，為復(fù)雜的多尺度結(jié)構(gòu)提供動(dòng)態(tài)響應(yīng)的n維(nD)打印。
(2) AM兼容材料庫應(yīng)擴(kuò)展到包括更多獨(dú)特的功能，并迫切需要智能AM工藝和設(shè)備來精確制造這些材料的多材料結(jié)構(gòu)。開發(fā)高精度噴嘴和提高不同材料間的界面兼容性是研究的重點(diǎn)。
(3)由于未來的工作環(huán)境可能包括外層空間、深海、火山等，3D打印結(jié)構(gòu)應(yīng)該在極端條件下具有魯棒性和多物理領(lǐng)域的適應(yīng)性。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之初，應(yīng)考慮不同的工作條件。通過解決這些困難，AM正朝著集現(xiàn)場(chǎng)診斷、柔性控制、全生命周期設(shè)計(jì)和自動(dòng)原型設(shè)計(jì)于一體的智能系統(tǒng)發(fā)展。
圖9 AM技術(shù)在開發(fā)智能結(jié)構(gòu)方面遇到的挑戰(zhàn)
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