增材制造路线图:走向智能化和工业化（2）
时间:2022-04-15 11:19 来源:江苏激光联盟 作者:admin 点击:次
| 导读：本文探讨了AM技术研发中可能面临的挑战，为未来产业创新创业搭建关键技术平台。本文为第二部分。 5. 智能结构 在过去的几十年里，我们见证了对智能、集成和多功能结构的日益增长的需求，这些结构需要复杂的内部配置。因此，制造难度一直是智能零部件产业化过程中最大的障碍之一。AM已经成为一种强大的技术，战略性地集成了传感、驱动、计算和通信功能。其中一个例子是最近在3D打印纤维增强复合材料方面的创新，它使得分层和中空结构的集成制造具有轻量化、高强度和低成本的优点。 如一项实验中，可打印磷酸钙（PCaP）基油墨由颗粒和液相组成，由内部制备（下图）。对于1g可打印相，将660 mg研磨的α-磷酸三钙微粒（α-TCP，平均尺寸3.83μm，Cambioceramics，荷兰莱顿）与40 mg纳米羟基磷灰石（纳米HA，粒径<200 nm，Ca5（OH）（PO4）3，Sigma-Aldrich）混合。液相由40%w/v水凝胶前体溶液组成，包括未改性的泊洛沙姆（Pluronic®F-127，Sigma-Aldrich）或定制合成的可水解、可交联泊洛沙姆，其末端羟基通过接枝己内酯低聚物和甲基丙烯酰基（P-CL-MA，CL为1个重复单元）进行改性。 未改性（不可交联）和改性（可交联）泊洛沙姆分别溶解在PBS和添加25 mM过硫酸铵（APS，Sigma-Aldrich）的PBS中。在混合之前，将颗粒和液相在4°C下储存30分钟，以防止泊洛沙姆组分的热凝胶化。随后，将不可交联（NC）或可交联（C）泊洛沙姆添加到颗粒中，并通过在4°C下搅拌3分钟手动混合，以确保颗粒的均匀分布。随后，将制备的非交联PCaP油墨（NC-PCaP）和交联PCaP油墨（C-PCaP）装入配药筒中，用固定帽封闭，并在4°C下储存，直至使用。  材料成分示意图，表示PCaP膏体的成分。  图8 具有多种功能的智能结构:(a)具有热收缩性能的人工皮肤;(b)金属墨水直接墨写与电子元件拾取相结合的AM平台;(c)导电和功能材料的电荷编程AM;(d) 形状可变换结构的4D打印。 尽管建造智能结构的AM技术发展迅速，但仍有一些挑战需要克服，如图9所示。 (1) 除了3D和4D打印，AM系统现在正致力于融合不同的物理领域，并基于有效结合的传感和驱动能力，为复杂的多尺度结构提供动态响应的n维(nD)打印。 (2) AM兼容材料库应扩展到包括更多独特的功能，并迫切需要智能AM工艺和设备来精确制造这些材料的多材料结构。开发高精度喷嘴和提高不同材料间的界面兼容性是研究的重点。 (3)由于未来的工作环境可能包括外层空间、深海、火山等，3D打印结构应该在极端条件下具有鲁棒性和多物理领域的适应性。因此，在结构设计之初，应考虑不同的工作条件。通过解决这些困难，AM正朝着集现场诊断、柔性控制、全生命周期设计和自动原型设计于一体的智能系统发展。  图9 AM技术在开发智能结构方面遇到的挑战 |