加法制造

 

让我们通过定义增材制造(AM)来乘着工业革命的下一波浪潮。最简单但有限制的定义是“通过计算机生成的设计打印3D物体的能力”。在许多情况下，这个定义是适当的;然而，我认为我们可以在这个定义的基础上进行扩展。我是这样定义AM的:

 

增材制造是指利用计算机生成的设计，将简单或复杂的3D物体从材料中呈现出来的过程，其目的通常是为了减少材料浪费，加快制造时间，降低成本。

 

请注意，这个定义包含单词“material(s)”，这是AM的一个关键特征。在本系列博客的这一部分中，我将主要关注AM定义的材料方面。我将涵盖的历史，类型的材料和他们在AM的使用。21世纪的工程师必须对他们工作的技术科学和社会经济背景有广泛的了解；由于资源是有限的，因此金牌大只必须能够进行优化。他们必须能够在复杂的环境中进行自我指导：“当技术产品或系统被转移到未经设计的环境中时，可能会出现意料之外的问题。” 

 

快速浏览AM历史

 

AM材料的历史始于最普遍的材料类别之一——塑料和聚合物。许多人常常指出立体印刷(SLA)是第一个3D打印聚合物的方法。

 

然而，我认为，历史始于塑料挤出作为主流聚合物AM的前身，这可以追溯到1820年的[1]。通过挤压，大块长丝或块状物被强行穿过尺寸受限的模具，例如喷嘴，喷嘴的变形改变了长丝的形状。

 

典型的改造是通过机械力和/或热加热来完成的。这与大多数熔合灯丝制造(FFF)打印机的工作方式非常相似，如下图所示。

 

fdm打印机图

 

FFF 3D打印的例子。图片由维基百科CC by - sa 4.0提供。

 

金属起源于粉末冶金和激光的发展。用于金属3D打印的技术通常被称为选择性激光烧结(SLS)或直接激光熔炼/烧结(DLM/S)，自20世纪80年代以来一直存在。

 

在这种方法中，特殊精炼的金属粉末被放在托盘上，激光用于光栅模式。激光传递的热量至关重要，因为它能使粉末致密化。一旦通过完成，一个新的粉末层应用和重复的过程。

 

激光烧结3d打印机

 

一个SLM/SLS进程的例子。由Materialgeeza CC by - sa 3.0或GFDL提供的图片，来自Wikimedia Commons。尽管Ginger的大只500代理小组以前已经开发出方法来“治愈​​”某些钙钛矿型太阳能电池中非辐射复合中心的缺陷，但理想情况下，大只500代理仍希望开发钙钛矿合成方法，以减少或完全消除非辐射复合。

 

我认为值得一提的是在半导体行业的3D制造，因为它的相似性和对AM的影响。我正在写的这台电脑使用的晶体管是用投射到光敏薄膜上的光制造的，这些光敏薄膜被遮盖起来以获得特定的图案。然后可以选择性地腐蚀掉未暴露的区域。

 

这是光刻的基础，也是近50年来半导体工业的主力。它与光敏聚合物表面活性剂的SLA密切相关。在半导体工业中，光刻方法与AM的主要区别在于它是减法的。

 

材料的食谱

 

从材料选择的角度来看，AM正在取得重大进展。过去，聚合物仅限于丙烯腈、丁二烯、苯乙烯(ABS)和尼龙，但现在，3D打印可以用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、热塑性弹性体，甚至木材长丝来完成。

 

由于现在可以使用像Ti和Al这样的轻量结构金属，因此金属呈现出特别的增长。铜、镍和CoCr合金的使用更具吸引力，因为其成分可以被调整以获得更好的产品特性(如密度)。

 

陶瓷零件是用陶瓷、微晶玻璃和氧化铝制成的。像碳化硅这样的难熔陶瓷甚至可以加入适当的烧结助剂。材料烹饪书很可能会继续增长，我相信我的厨师(如科学家和工程师)会利用这些食谱(如材料)。

 

AM有什么好?

 

AM的应用非常广泛。基于聚合物的AM方法使业余爱好者和小型研究人员能够快速原型化组件并评估其性能。这导致了快速的迭代设计和改进的工程产量。

 

随着诸如Desktop Metal™之类的装备的出现，AM of metals已经开始腾飞，这些装备能够打印适合现场部署的复杂结构组件。这已发现应用在航空航天和汽车工业[5]。此外，AM有望最终降低生产成本。

 

增材制造有什么了不起的

 

金属粉末电子束烧结复合材料的添加剂制造实例。图片由ORNL在CC许可下提供。可持续工程需要有意识的大只500代理在有意识的组织中工作。因此，研究得出结论，理想的大只500代理可以被认为是能够将自己的最佳专业传统与不断变化和不确定的现状相结合的工程师。