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香港城市大學呂堅:2D/3D/4D打印雙相納米金屬與納米陶瓷復合材料(3)

時間:2019-10-21 13:28 來源:南極熊 作者:中國3D打印網 閱讀:

         我能做什么?第一,我可以打印這個前驅體,通過預變形,形成我需要的復雜的形狀,這種形狀經過燒結以后基本上保持這個,我們可以先預測它燒結以后變形,可以得到很復雜形狀的陶瓷。為什么叫4D打印,我的前驅體打印在一個可變形的基體上,同一個工藝出來的形狀不同,通過不同的預應變設計,出來復雜的幾何形狀。可以做什么?藍色是前驅體,預拉伸的前驅體打完以后出來很復雜的陶瓷形狀,經過燒結,這些使我們未來高溫材料的設計空間得到了大幅度的拓展,我可以設計出來各種各樣的結構,只要能夠設計出來,我們就有辦法通過這種方式把它打印出來。打印多么復雜的陶瓷,你只要想得出來的都能打印,前面要經過一些復雜的力學計算,下面是一些重要的應用,比如說手機的殼,5G的手機肯定是玻璃,陶瓷,或者恢復還原成高分子材料,陶瓷是最理想的,第一,它的性能比較好,第二是比較美觀。如何大規模打印提高它的強度,它這種含了納米微孔,整個的比重只有1左右,所以我完全可以打印非常輕的結構。我們現在做如何大幅度提升它的力學性能,通過設計做出一些新的構架。從力學性能來講抗壓強度非常高,將近547個MPA左右,也是在各種陶瓷,特別是打印的陶瓷里面非常好,跟其他傳統的前驅體打印后燒結出來的比,強度高了20倍。力學性能接近的這些材料,打印的尺寸大大小于現在的尺寸,我們這個尺寸現在已經打出來,高了兩個數量級,100倍,大家可以看到氧化鋁跟我們差不多。我們的紅點遠遠在外面,我們的尺寸沒有特別大的局限,主要做一個大的機器,理論上可以打比較大的陶瓷。


        如果從壓的角度來講,一個小方塊,指甲蓋這么大的方塊可以抵抗三噸的壓力,這是非常好的陶瓷結構。未來發展和應用,做3D打印行不行還看有沒有真正的應用,第一個例子是航空發動機里面復雜的陶瓷熱部件看有沒有機會用3D打印出來,我們很高興GE現在已經開始其他材料的打印。航空發動機材料最近這些年發展三個,技術路線,一個是大幅度提高高溫合金,高溫合金本身我們也可以用這種方式打印,第二是熱障涂層,每年平均1.5度,增長空間非常小,80年代開始就有熱障涂層,它最主要問題熱膨脹系數和高溫合金不一樣,這樣造成了以后很大的問題,本身可以再提高150—250度工作的溫度。第三是冷卻系統,新的冷卻方式可以進一步提高100到200度的使用溫度,冷卻系統除了它最主要的問題冷卻的渠道到底有多復雜,我們能做出來很多復雜的東西,一維二維三維這種結構可以打印出來很復雜的陶瓷結構,這種陶瓷結構本身可以非常抗熱,比如說這種我們可以發展出耐高溫,熱導率比較低的陶瓷結構,這種陶瓷材料具有優異的耐高溫性能,適用于航空航天熱防護領域,打印的蜂窩狀結構在高溫噴槍情況下能夠保持穩定的結構,微結構里面有納米的孔,燒起來變形有一些特殊性能,納米孔的大小可以通過工藝來調整,我們可以想像這個東西,因為是一片一片,可以很小的體積帶到太空中做高溫部件。
       第二個例子是生物醫學,3D打印已經用的越來越多,鈦合金用的非常多,它最大的問題是應力和抗摩擦磨損的性能,抗摩擦磨損的性能我們可以通過SMAT Processing進行處理,大家做納米粉知道球磨,這個對整體三維或者復雜形狀的結構進行球磨的方式,不是先做粉,我直接在復雜的零部件上做這個東西,所以我完全可以做3D打印機,在這個下面混到一起直接打印。
        第一步做的3D打印我先進行處理,處理了以后,看它的形狀多少,看它的力學性能多少,我們做的第一個例子,3D打印疲勞性能到底能夠提高多少,一般的3D打印用SMAT處理,這個例子,疲勞3D打印機做鈦合金的,一般300到360MPA,你要用HIP后處理的話就是360,通過SMAT,用標準的疲勞試樣,我可以從360左右提高到560左右,大幅度提高它的疲勞極限,也可以大幅度提高它的疲勞強度和壽命,這個是未來發展的一種方式。一種是3D打印完直接處理,疲勞可以在表面發生,我可以影響幾百個μ,大幅度提高它的疲勞極限,另外把這種方法直接跟3D打印機結合在一起,把整體都密集化深入加入殘余壓力,這種方法整體提高疲勞結構和疲勞性能。
       我今天介紹幾個具有獨立知識產權幾種類型的具有顛覆性性質的新型生物結構材料及相關的潛在應用方案,第一個介紹接近理論值超高強度超納及納米生物結構材料,鎂合金和鈦合金,3D打印4D打印可以制備復雜的陶瓷或者金屬結構,該技術可以制備復雜形狀的陶瓷及生物材料,在航空航天或者輕型防彈等需要制備復雜形狀的高溫材料領域具有廣泛的應用,比如說在核能里有一些吸收中子的高溫材料需要復雜形狀也可以用這種方式實現,SMAT是大幅度提高打印金屬生物假肢強度與航空零部件壽命的有效途徑,所以可以處理任何復雜形狀,并提高它零部件的疲勞性能和生物相容性。
       這是我的團隊,感謝在歷史上支持過我們的各大公司的相關的技術,有日本的,有歐盟的,有美國的,都有支持,我的分享完畢,謝謝大家。
文獻鏈接:
1.        LIU, Guo, et al. Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramic structures. Science advances, 2018, 4.8: eaat0641.
   https://advances.sciencemag.org/content/4/8/eaat0641
2.        WU, Ge, et al. Dual-phase nanostructuring as a route to high-strength magnesium alloys. Nature, 2017, 545.7652: 80. 
https://www.nature.com/articles/nature21691
3.        Yan, Xingchen, et al. "Fatigue strength improvement of selective laser melted Ti6Al4V using ultrasonic surface mechanical attrition." Materials Research Letters 7.8 (2019): 327-333.
https://www.tandfonline.com/doi/ ... 663831.2019.1609110

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