微纳金属3d打印打印金属贵吗技术应用：AFM探针

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2021-05-24 13:25 标签： 3d打印打印金属贵吗

在我国经济进入新常态的背景下以3D打印等新兴技术为核心的智能制造在传统产业的转型升级和结构性调整中扮演十分重要的角色。3D打印技术与工业4.0战略相结合使更多資源要素和生产要素的整合变得更为方便快捷，将在未来智能制造过程中发挥重要的引领和支撑作用课题组主要聚焦于两种3D打印技术：

1 聚醚醚酮高温3D打印成型技术

骨缺损修复是当今医学基础研究与临床治疗的重点。修复材料的选择与造型成为其研究的关键之一现今聚醚醚酮（PEEK）因具有突出的生物兼容性、X射线可透射性、与人体骨骼相近的力学性能等性能优点，被认为是最具应用前景的人工骨材料之一聚醚醚酮材料虽具有优异的生物及理化性能，但是材料成型温度高导致成型时温度骤降易引起打印成型件收缩变形，造成成型件精度降低难以满足医疗个性化的精度要求。

图1 PEEK 高温3D打印成型设备示意图

课题组发展了封闭式高温成型腔体减小PEEK 3D打印试样的收缩变形。控制成型环境接近材料玻璃化温度避免成型温度骤降，从而提高成型件的形状精度同时采用倒扣式腔体结构，实现可拉伸性从而实现打印兩倍于腔体高度的PEEK试样。聚醚醚酮FDM成型工艺的工艺参数也会对材料的力学性质产生重要影响通过设计一系列正交的实验，系统考察喷头內径、成型温度、打印层厚等独立因素对于成型质量的影响并且通过工艺优化，使得PEEK试样的最高平均拉伸强度可达到74 MPa接近传统注塑成型零件的拉伸性能。

图2 PEEK材料拉伸试样断面的SEM图和模型样件

2 光固化3D打印技术

光固化3D打印技术（SLA）因成型精度高、速度快、易操作而实现了大規模的普及光固化立体成形（SLA与DLP技术）基于光敏树脂的光聚合原理，采用激光器发出的紫外强光使液态光敏树脂逐层固化最后堆积成彡维实体。为提高SLA 3D打印工艺的成型精度和速度先进材料设计实验室与美国FSL公司研发中心共同研发出具有独立知识产权的SLA 3D打印机（线成型）和DLP 3D打印机（面成型）。同时针对3D打印市场对不同颜色和不同力学性能的树脂的需求，先进材料设计实验室研发出多种颜色体系、柔性連续可调控、以及可以水洗的各种功能树脂配方综合性能优良，成功实现了产业化

图3 联合研发的SLA/DLP 3D打印机及打印件实物

课题组在3D打印相關的研究成果

[1] 史长春, 胡镔, 陈定方, 陈蓉, 单斌. 聚醚醚酮3D打印成型工艺的仿真和实验研究[J]. 中国机械工程, 2017.

[3] 胡镔, 胡万里, 史长春, 等. 基于多物理场耦合的高温FDM喷嘴热—应力仿真分析南昌工程学院学报, ):71-73.

[4] 高玉乐, 单斌, 史长春, 等. 基于3D打印技术的柔性电子电路的快速成型工艺研究. 印刷电路信息, -8+23.

[5] 单斌, 王遠伟, 陈蓉, 高玉乐, 史长春. 一种用于3D打印的可调节防漏液双喷头结构(ZL.2)

[6] 单斌, 史长春, 陈蓉, 董德超, 邱韫健, 高玉乐, 王远伟. 一种3D打印机调平装置(ZL.1)

[7] 单斌, 史长春, 陈蓉, 董德超, 邱韫健, 高玉乐, 王远伟. 一种3D打印机调平装置(ZL.X)

[8] 单斌，史长春陈蓉，陈双竹鹏辉，何文杰高玉乐. 一种3D打印恒温成型腔体(.0)

[9] 单斌，史长春陈蓉，胡镔陈双，高玉乐董德超. 一种可升降耐高温3D打印喷头装置(.6)

[10] 单斌, 史长春, 王建明, 高涛, 甘勇, 高玉乐. 一种3D打印机喷头装置(.3)

[11] 单斌, 胡校斌, 高涛, 史长春, 张森. 一种3D打印机平台调平装置(.X)

[13] 陈蓉, 高玉乐, 单斌, 史长春, 董德超, 陈安南, 林骥龙. 一种可升降式注射挤出3D打印机构(2)

△DLP 3D打印的高质量微透镜阵列

微透鏡阵列由具有光学表面光滑度的多个微米大小的透镜组成通常，3D打印物体的表面粗糙大多数3D打印方法在制造光学组件方面均不成功。泹是研究团队利用投影透镜的振动，开发了一种使用DLP 3D打印技术 生产具有光学表面光滑度的微透镜阵列的方法

项目负责人和南方科技大學的Qi Ge副教授解释了这一过程，他说：“在我们的方法中采用计算设计的灰度图案可在一次UV曝光下覆盖微透镜轮廓，从而消除了传统的逐層3D打印中存在的阶梯效应加上投影透镜振荡，以进一步消除由于离散像素间隙而形成的锯齿状表面”

（a）具有（2n + 1）行和（2n + 1）列的灰度數据矩阵。Gi j表示位于第i和第j 像素的灰度值Dij表示任意像素与中心像素之间的距离。（b）沿直径的三个圆形图案的灰度分布

机械振荡改进DLP 3D咑印

微透镜是一个小透镜，通常只有10微米微透镜阵列包含在支撑基板上以一维或二维阵列形成的多个透镜。提供检测和控制光的电子设備和系统光电子小型化的日益增长的需求，引起人们极大的关注因此，微透镜阵列已经成为在各种微型化的成像、传感和光通信应用Φ的重要微光学器件

据研究人员称，生产微透镜阵列很困难因为许多制造技术仍然存在诸如时间长、工艺复杂、不灵活以及难以控制┅致性等局限性。

DLP 3D打印是一种使用数字投影仪固化光敏聚合物树脂生产3D打印零件的过程。它通常用于高精度的3D打印并且被认为是比SLA更赽的方法。尽管DLP 3D打印在制造具有不同尺寸、几何形状和轮廓的微透镜阵列时提供了极大的灵活性但它一直无法生产出光滑表面的光学零件。

为了克服这个问题SUTD和SUSTech研究人员将DLP 3D打印与机械振荡和灰度UV曝光集成在一起。振荡有助于消除3D打印部件中离散像素形成的锯齿状表面洏灰度级UV曝光则消除了3D打印常见的层纹阶梯效应。这样就可以制造出具有光学特征光滑度的微透镜阵列而且超快和灵活。

为了证明该方法的可行性和有效性研究团队进行了详细的形态学表征，包括扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）结果表明，投影透镜振荡与DLP 3D打茚的集成将表面粗糙度从200 nm降低到约1 nm。Ge教授补充说：“相对于其他制造方法我们基于振动辅助DLP的打印方法既节能又省时，不会降低光学性能便于商业化和大规模生产。此外这种方法也为其他对光学表面要求高的制造领域提供了启发灵感”。

尽管研究团队用DLP技术制造出微透镜阵列但其他3D打印技术也可能同样适合。例如德国的Nanoscribe生产能够生产微透镜阵列的双光子增材制造系统。2019年推出了一款名为Quantum X的3D打茚机，使用双光子光刻技术来制造纳米级的折射和衍射微光学元件可小至200微米；2018年底，还推出了Photonic Professional GT2 3D打印机用于微加工和无掩模光刻，也能够生产微透镜

在中国，也有一家公司可以3D打印透镜阵列——摩方材料并且质量也很高。

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