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  • 可生产、可重复、可预测… 量产中应用的3D打印技术需经历哪些认证“关卡”?

     增材制造技术进入到产业化应用阶段所面临的挑战之一是如何获得相关应用行业的认证,如航空航天领域的适航认证。而认证不仅是对用增材制造技术制造出来的最终3D打印零件进行认证(certification),还涉及包括增材制造设备、材料、软件、工艺在内的整个增材制造过程的资质(qualification)认定。可见,认证涉及到零件生产商和增材制造设备供应商两个层面。那么,3D打印零件进行认证时需要考虑到哪些因素,增材制造设备供应商能够为此提供什么支持呢?    分享是增材制造工程咨询企业Barnes Group Advisors与粉末床激光金属3D打印设备供应商VELO 3D 对3D打印零件认证工作的看法与部分经验,借此对以上问题进行探讨。 增材制造产业化的“必修课” 认证与资质认证(certification)是指零部件符合设计意图,并且也适合在机械系统中的使用。例如,某个零部件可能满足其设计者指定的所有设计标准,然而这并不意味着按照该设计进行生产的零部件,在装配到机械中以后每个都能够正常运转。无论是航空航天,医疗,石油和天然气,还是其他监管程度较低的制造行业,总会存在一定程度的要求。独立的认证机构将审查制造商所提供的数据,并证明该制造商所生产的零部件是否适合在飞机,汽车或其他机械中使用。资质(qualification)涉及到支持制造商获得零部件认证的关键过程,其中不仅包括进行零部件3D打印所需的设备、材料以及工艺,还包括整个增材制造过程。 零部件认证的“五大支柱”零部件认证可以借助约翰·W·“杰克”·林肯提出的飞机结构完整性一般原则“五大支柱” 进行概括。约翰·W·“杰克”·林肯提出的“五大支柱”。来源:Barnes Group of Advisors第一个支柱-要求和设计标准(Requirements & Design Criteria )。零部件的设计可能美观大方,但是如果装配在机械中不能满足既定的性能要求,则没有任何意义,也就是说如果一个零部件无法完成它的“本职工作”,则不会获得认证。第二个支柱-可生产性(Producibility)。这是个关键阶段,具有可生产性意味着,在不产生过多报废和返工的情况下,进行零件的制造。与可生产性密切相关的是第四个支柱-稳定性,稳健性和可重复性(Stability, Robustness, and Repeatability),这实质上意味着生产中的每个零件都符合用于初始认证的零件所展示的要求。第三和第五个支柱是零件的特性(Characterized Properties)和性能的可预测性 (Predictability of Performance),这意味着材料特性和材料与工艺参数之间的关系已得到很好的理解,设计人员可以放心地使用性能数据来设计零部件。 增材制造零件认证中的挑战在传统的制造工艺中,材料与工艺之间的关系是众所周知的,数据已经存在了很多年,而且零件已经使用了很长时间。因此,对这些过程的信心很高。而增材制造不如传统工艺成熟,针对增材制造零件认证,需要更多的数据来支持“五大支柱”中所概括的内容。增材制造与传统制造在零件认证方面存在不同点,传统制造的零件认证经常使用统计机械特性(即A,B和S基允许值)来支持性能的可预测性。已有很多制造商在进行金属3D打印零件的认证,这是证明某种零件是适合某种机械系统使用的一个途径。但就整个增材制造领域而言,目标是朝着获得整个增材制造过程资质的方向发展,也就是具有资质的增材制造过程被认为是稳定、 稳健的、可预测的,通过增材制造过程能够制造多种获得认证的3D打印零件或零件家族。 增材制造设备商能为认证做什么?在零部件认证“五大支柱”中,首先与增材制造设备制造商相关的是第二个支柱-可生产性。虽然说3D打印技术对于产品的复杂性不敏感,能够制造传统工艺所不能实现的复杂结构,但各种不同3D打印技术也存在着对于设计的限制,3D打印技术也不是万能的。以选区激光熔化金属3D打印工艺为例,该工艺中存在一个“45度规则”,在设计时需要尽量设计大于45度角的结构,从而最少化零件支撑结构的使用。不过随着设备和面向增材制造的设计技术的发展,选区激光熔化3D打印技术的可生产性得到了扩展,比如说VELO 3D的智能熔化金属3D打印系统,可以在不需要支撑的情况下打印角度低至10度的零件特征。这些变化将对制造实际可以生产的3D打印零件产生积极的影响。在应对认证的第三支柱-零件的特性方面,VELO 3D 与 Barnes Group Advisors合作开展了相关研究。以下图表显示了他们对Inconel 718 材料3D打印、铸件和锻造材料之间所做的比较。除此之外,他们还研究了统计机械特征,或整个数据集中机械概率的稳定性。对Inconel 718 材料的研究。来源:Barnes Group of Advisors他们查看了来自五台不同3D打印设备的数据,这些设备打印了两个激光路径,总共有10条不同的激光路径和大约100个样本,并检查了统计数据存在的变化。在这项研究的抽样零件中,有99.7%处于屈服强度、极限抗拉强度和延伸百分比的指定水平内。稳定性,稳健性和可重复性是零件认证的第四个支柱。对于用于生产的金属3D打印技术而言,保证同样一个设计在下一次打印时能够获得同样的质量,即质量的可重复性,是非常关键的。通常3D打印设备会每三到六个月由现场服务工程师进行一次校准,但在两次校准之间,设备处于什么状态是难以确定的。VELO 3D 计划实现设备的原位校准,即在每次打印之前通过“单击操作界面”进行校准,以此来保证打印时设备处于良好状态。认证的第五个支柱是性能的可预测性。VELO 3D 对这一点的应对策略是,通过软件实现实时的打印质量监控,如实时计量与零件孔隙率相关的因素,孔隙率是引起金属3D打印零件缺陷和不良机械性能的主要原因之一。根据3D科学谷的市场观察,VELO 3D 开发了Assure 质量保证和控制系统,作用是确保提供批量生产所需的零件质量,该系统可以检测过程异常,对其进行标记,并显示所需的纠正措施,从而避免重复出现错误。增材制造技术在设备、工艺以及质量监控方面的发展,将使制造用户的零件认证道路更加顺畅。无论是哪一种用于生产的工业级3D打印设备,具有稳定性、可控性、可重复的打印过程,对于支持其制造用户获得3D打印零部件认证都非常关键的。获得认证的四个关键因素:制造设施、打印设备/工艺、零件,批量验收。来源:Barnes Group of Advisors除了硬件之外,3D打印零件获得任何行业认证的过程都可以归结为数据。最困难的事情是首次使用新工艺对零件进行认证,然而一旦有了已知的数据池,并且有了一个已知的过程,资格和认证过程就会快得多。(责任编辑:中国3D打印网)

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  • 我国研究人员测试模仿骨小梁结构的钛合金生物3D打印支架

    中国研究人员正在进一步研究钛在生物印刷中的用途,并在最近发表的“模拟骨小梁结构的钛合金支架的机械性能”中概述了他们的发现。在这项研究中,研究人员使用了五个不同的晶胞,以尝试创建新的骨小梁通过电子束熔化的结构。       3D打印已经在医学界树立了不可磨灭的烙印,由于研究人员的辛勤工作,3D打印一直在飞速前进。尽管当今组织工程技术已成为研究的最前沿,但随着3D打印模型和设备的使用,骨科技术受到了极大的积极影响,从而带来了更大的灵活性和定制性。      骨小梁的结构不仅可以促进植入物的“生物活性”,而且还可以促进成骨细胞形式的细胞更好地生长-并指导骨组织与孔连接,从而实现植入物的生物固定。作者指出:“随着3D打印技术和新型生物材料的发展,小梁结构在人工关节置换中的应用正在增加,小梁结构的设计,制造和力学性能成为当前研究的重点。 3D打印钛合金小梁结构的形态特征和力学行为将影响人工假体置换的效果;因此,这些方面需要进一步研究。”       之前已有研究,但正如研究人员指出的那样,由于缺乏对“目前临床使用阶段的钛合金小梁结构的力学行为”的全面研究,他们有动机进行这项研究。在3D打印小梁结构之后,他们考虑了以下方面:.设计与制造之间的差异.不同孔隙率和孔径对机械性能的影响.结构破坏的机理钛合金支架由晶胞组成(L,a和s是单位,分别是投影的孔径和支杆尺寸)以及模仿骨小梁的钛合金支架的微观形态。 a晶胞和钛合金支架,b支架的微观形态       该研究团队获得了五个用于研究的长方体支架,每个支架均具有不同的孔隙率,这些支架是通过EBM与Ti6Al4V钛合金粉末制成的。其他标本也以致密的圆柱钛形式进行了3D打印。这组作者说:“研究了在相同加载速度下具有不同孔径和孔隙率的脚手架样品的孔隙率与力学性能之间的相关性。压缩测试包括从两个不同的加载方向研究在相同加载速度下的试样各向异性,以及不同加载速度对机械性能的影响。”      他们还检查了来自不同位置和印刷过程的样品的机械性能,包括9个不同的位置和3个方向。密度记为:4.3541037 g / cm3由3D打印的致密圆柱体样品计算得出。研究小组还指出,孔隙率始终“低于设计值”。脚手架样品设计值与实际值的比较。 (a)支柱尺寸,(b)投影孔径,(c)孔隙率合适的孔隙率和连通性允许:.附着力.增殖.差异化.引导骨组织进入毛孔五个不同规格的脚手架样品的实际支杆尺寸,孔径和孔隙率       研究人员总结说:“ 3D打印钛合金支架的参数,例如孔径,孔隙率,孔的形状和表面处理,对体外骨骼生长和成骨细胞性能具有重要影响。我们已经系统地研究了模拟小梁骨的3D打印钛合金支架的结构设计,制造和力学性能。这项研究可能会揭示具有适当结构和功能的假体的应用。”9个不同位置的9个试样的压缩应力-应变曲线及其局部放大图以及某些试样的断裂形态。 (a)至(e)是五个试样的断裂模式(责任编辑:中国3D打印网)

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  • 中科院又一重大突破!新型石墨烯材料成功问世,西方国家表示惊叹

    如今世界各国的较量,不再局限于军事武器和经济利益,科技创新也成为了衡量一个国家的综合水平的重要指标,中国在这方面也一直始终与时俱进,近日,中科院就传来了好消息,又是一重大突破,新型石墨烯材料成功问世,西方国家也对此表示惊叹。  中科院这次研发的新型石墨烯材料全称叫做硅-石墨烯-锗晶体管,这种石墨烯是以肖特基结作为发射结的垂直结构,可以将石墨烯基区晶体管的延迟时间缩短1000倍以上,这一优越性能为未来的超高速晶体管的实现作出了极大的贡献,而且这一新型石墨烯目前只有中国具备其研发技术,欧美等多个发达国家在这方面虽然尝试过多次,甚至着手研发时间远远早于中国,但在发现石墨烯的剥离技术之后,想要更进一步却都一直未果,所以这次中国在这一领域的的率先突破,也是让西方国家十分惊叹。  石墨烯在我们的生活中其实已经实现了多方面的应用,最为常见的就是我们的移动设备,众所周知,中国是手机制造大国,拥有世界最大的手机销售市场,但是像手机这种智能装备,它所需要的核心零件也就是芯片,就我国目前的技术水平是无法进行大规模研发的,因此我国一直依靠向美国进口芯片解决这一难题,现在有了新型石墨烯材料,它的高效作业运转的一大特性可以说一定程度上为我国攻克手机芯片技术难题带来了很大的优势。石墨烯相关的技术一直都备受外界的关注,当年英国两位科学家首次发现了分离提取石墨烯的简易方式,也由此越来越多的科学家开始了分离石墨烯的技术研究。  石墨烯其实本身就存在于自然间中,只是无奈很难找到单层的石墨烯,据说仅仅1毫米的石墨里几乎拥有300万层石墨烯,它的分离技术的难度可想而知。英国的两位科学家也是在经过数百次的尝试后,才偶然发现了一种简单的分离方式,他们首先从高定向热解石墨中剥离出石墨片,这种高定向热解石墨,顾名思义,就是经过高温处理,性能无限接近于单晶石墨,更加有利于节省从中分离石墨烯的时间,将剥离出来的石墨片贴在一种特定的胶带上,经过一定的时间后,撕开胶带就可以实现石墨片的一分为二,然后重复之前的步骤,最终就可以得到单层石墨片,也就是现在的石墨烯。  受到这一方式的启发,英国这两位科学家又进一步发现了微机械剥离法,并因此获得了诺贝尔物理学奖,之前的分离方式虽然简易但是有个前提条件,必须是在高温环境下经过高温处理的石墨,微机械剥离法可以有效克服这一缺点,而且打破了人们的认知,大多数物理学家都认为二维结构的晶体是无法在有限温度下存在的,除非是**零度,可是通过微机械剥离法成功得到的石墨烯却证明了只要方法正确,二维结构的晶体可以不受温度条件的限制存在,这也是它的发现者获得诺贝尔物理学奖的重要原因之一。  这次,中国中科院研发的新型石墨烯材料成功问世,不仅让西方国家表示惊叹,也让世界各国都看到了中国蕴含的巨大潜力,之前中国向美国寻求航母技术被拒,最终凭借自身努力成功自主研发了航母,如今中国又再一次凭借中国人的智慧成为了世界上第一个拥有新型石墨烯的国家,种种成绩都足以证明中国的未来无可限量。  昂星新型碳材料常州有限公司作为独立科研开发和石墨烯两大项目的昂星新型碳材料常州有限公司,致力于充分发挥石墨烯本质性能,踏实投入,长期布局,为每个人提供自由的环境和多样化的资源,并与用户互享智慧成果!

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  • 聚氨酯原料企业渐次复工

    中国聚氨酯工业协会近日公布行业情况调查结果:目前大型聚氨酯原料企业复工率较高,但中小型企业以及设备和制品企业的复工率相对较低;下游需求不足问题依然存在,但行业整体形势正趋于好转。  据该协会秘书长吕国会介绍,统计结果表明,目前大宗聚氨酯原料生产企业复工复产率较高。疫情期间部分企业严格防控措施,制定返程计划,确保员工安全,实现了有序复工;部分企业疫情期间在确保员工安全的情况下坚持生产,但目前行业整体生产经营情况仍存在压力。  吕国会介绍说,目前中小聚氨酯企业特别是下游制品企业,因物流受限、终端消费市场不振等因素影响,开工率仍相对较低,不少企业尚未开工,进而影响到上游原料企业的生产经营,导致上游企业产品库存偏高。  记者了解到,目前一些聚氨酯配套原料生产企业还没有复工,更关键的是家具软泡等一些重要的下游企业复产率也不高。如汽车行业,目前虽然大的车企已经基本复工,但复产率较低。华大新材料公司就表示,因疫情原因,七成以上客户尚未开工,下游订单较少。  据悉,目前物流不畅仍是行业面临的主要问题。有企业表示,眼下江苏、山东等地危险品整车进出货已无太大问题,但是非危化品零散远程订单配货还存在障碍。这些货物一般在1~5吨左右,以前都是走配货渠道采用非专车运送方式,但目前远程配货缺少车辆,配货资源短缺,且成本上升。  进入3月以来,聚氨酯行业复工情况已有起色,省内物流明显好转。目前万华化学烟台生产基地一线员工到岗率达95%以上,装置负荷较高,物流和出口情况也有所改善;航锦科技股份有限公司保持满负荷生产,但还存在库存压力,不过随着下游开工的好转,库存压力正在减轻。  “消费市场的逐步启动和物流的向好,将推动中小企业尽快复产,进而带动行业早日回暖。”吕国会说。

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  • 废塑料增强铝基耐高温复合材料,极限强度加倍,可塑性提高5倍

    复合材料在革新汽车,船舶和航空航天工业中发挥了关键作用。对于高温应用,人们一直在努力开发具有优异的机械和耐腐蚀性能的低密度复合材料。在此,我们尝试开发一种具有自然灵感的独特铝基复合材料,该复合材料具有低密度聚合物(聚对苯二甲酸乙二酯,即柔软的材料)增强材料,从而显示出强度和韧性的增强。使用易于扩展和简单的摩擦搅拌加工技术加工复合材料。均匀增强的铝复合材料的机械性能显示出两倍的极限强度,可塑性提高了五倍。复合材料的极限强度在高温下增加。摩擦搅拌加工技术复合材料结合了几种材料的理想性能,表现出了不同于其单独成分的增强的物理、化学和机械性能。使用这种方法已经开发出许多高性能材料。在汽车、船舶和航空航天工业中,此类复合材料发挥了关键作用,因为它们具有重量轻、优异的机械和耐腐蚀性能。在金属基复合材料中,低密度铝金属基复合材料特别受关注。自然启发的铝复合材料大自然有许多复合材料的例子,例如骨头显示出低密度,高刚度并且非常坚硬。木材同样是天然生长的复合材料,由嵌入半纤维素和木质素基质中的坚硬纤维素原纤维组成。受自然界的启发,研究人员开发了与传统复合材料完全不同的铝复合材料,设计人员通常选择用较硬材料嵌入较软基质中来提高强度。通常,使用钨、碳纤维、钛或陶瓷等材料来增强基体。现在,通过一个联合研究项目,该团队生产了一种独特的铝基复合材料,通过柔软的低密度聚合物增强。他们的发现最近发表在《高级工程材料》上。使用废品聚合物增强印度理工学院(Indian Institute of Technology.)的钱德拉·塞卡·蒂瓦里(Chandra Sekhar Tiwary)博士说:“当前的工作使用废聚合物作为增强材料,这不仅有助于回收聚合物,而且还改善了铝的机械性能。通过灵活的、可扩展的固态混合工艺将聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)应用于铝基质,PET是用于制造矿泉水瓶的材料。”应用了摩擦搅拌加工技术来生产复合材料蒂瓦里解释说:“本研究中使用的铝和聚合物是不溶混的。我们必须使用独特的方法,例如摩擦处理。”使用摩擦搅拌处理技术,研究人员可以将极限强度加倍,极限强度在高温下会提高,并且与非增强铝相比,其可塑性提高了五倍。化学分析蒂瓦里说:“我们正在使用更具可扩展性和简便性的技术来制造这种复合材料,以便我们可以增加复合材料中的聚合物含量。”

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  • 中科院传来喜讯:核心电子材料取得突破,国产CPU或将全部盘活

    硅-石墨烯-锗复合材料晶体管最近中科院传来喜讯,中国在核心电子材料技术上取得了巨大的突破,成功研发出了硅-石墨烯-锗复合材料晶体管,这种未来芯片的核心材料让电磁波在内的传播延迟被缩短1000倍,如果这项技术成功转入实用阶段,那么也意味着国产CPU将全部被盘活,国产芯片乃至世界芯片市场也将因此而迎来颠覆。众所周知,目前在芯片技术领域,一直是西方占据主导地位,国产芯片因为起步较晚,所以在性能上依然与西方保持着差距,对于芯片而言,最关键的技术其实就是反应速度,哪一款芯片的反应速度更快,那么这款芯片的运算能力也就更加强大,这也是各国为何要不断研制高效芯片的原因。科研工作室实际上如今美日等国的芯片加工工艺都非常精湛,如果单纯从芯片工艺上来提升性能,效果其实并不是特别明显,只有升级芯片的架构以及材料才能够大幅度提升芯片的性能,所以中国这次直接选择从材料入手,利用石墨烯的特点作为芯片发展的新材料,并且圆满取得成功,从CPU反应速度性能提升1000倍来看,中国已经再次实现了弯道超车。石墨烯芯片的成功也意味着中国能够研制性能更加强大的电子计算机,众所周知,人类如今已经进入信息社会,任何活动都与信息息息相关,而信息背后所体现出来的就是计算机强大的运算能力,如果计算机运算能力不足,当今社会也可能会出现混乱甚至陷入瘫痪,如果石墨烯计算机能够投入使用,那么在未来几十年内中国都不用担心这种灾难发生。图为国产超级计算机同时中国如今也在致力于超级计算机研制,比如天河一号二号计算机与神威太湖之光等,并且中国超级计算机运算能力一度处于世界榜首,但在超级计算机的竞争中也是非常激烈的,西方国家也在拼命研制性能更加强大的计算,而此前国产计算机芯片很大程度需要依靠国外,如果采用国产石墨烯芯片,不但能够让中国超级计算机性能再次获得飞跃性提升,同时还不用担心被国外卡脖子。在超级计算机领域,这不仅仅是一个国家综合国力的体现,同时也代表着一个国家科研能力,目前各国均被禁止进行核试验,如果要研制更加先进的核武器,那么只能通过计算机模拟来实现,从而获取相关数据,可以说只要中国能够在这一领域取得突破,那么新武器的研制也将变得更加有希望。

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