微纳世界最好金属3d打印印技术应用:AFM探针

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  制造最理想的原子力显微镜探针可以为样本分析提供无限的选择也大大提高了分辨率。德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)的一个研究小组已经开发出一种新技术,该技术使用基于双光子聚合的3D直接激光写入来制造定制的AFM探针

  基于双光子聚合的3D激光直接写入方法适用于创建自定义设计的探针。(a)在悬臂梁上使用双光子聚合打印的示意图这张插图显示的是探针扫描的电子显微镜图像。

  原子力显微镜(AFM)使科学家能够在原子水平上研究表面该技术是基于一个基本的概念,那就是使用悬臂上的一个探针来“感受”样本的形态实际上,人们使用原子力显微镜(AFM)已经超过三十年了用户能够很容易的在他们的实验中使用传统的微机械探针。但为用户提供標准尺寸的探针并不是厂家提供服务的唯一方式

  一般来说,科学家们需要的是拥有独特设计的探针——无论是非常长的探针亦或昰拥有特殊形状、可以很容易探到深槽底部的探针等。不过虽然微加工可用于制造非标准探头,但是价格非常昂贵

  如今,德国卡爾斯鲁厄理工学院(KIT)的一个研究小组已经开发出一种新技术,该技术使用基于双光子聚合的3D直接激光写入来制造定制的AFM探针这项研究的结果将刊登在AIP出版的《AppliedPhysicsLetters》杂志封面上。

  双光子聚合是一种3D打印技术它可以实现具有出色分辨率的构建效果。这种工艺使用一种強心红外飞秒激光脉冲来激发可用紫外线光固化的光阻剂材料这种材料可促进双光子吸附,从而引发聚合反应在这种方式中,自由设計的组件可以在预计的地方被精确的3D打印包括像悬臂上的AFM探针这样微小的物体。

  据该团队介绍小探针的半径已经小到25纳米了,这夶约是人类一根头发宽度的三千分之一任意形状的探针都可以在传统的微机械悬臂梁上使用。

  除此之外长时间的扫描测量揭示了探针的低磨损率,表明了AFM探针的可靠性“我们同样能够证明探头的共振光谱可通过在悬臂上的加强结构调整为多频率的应用。”H?Lscher

  制造最理想的原子力显微镜探针可以为样本分析提供无限的选择,也大大提高了分辨率

  纳米技术的专家现在能够在未来的应用程序中使用双光子聚合反应。“我们期望扫描探针领域的其他工作组能够尽快利用我们的方法”H?Lscher说,“它甚至可能成为一个互联网业務你能通过网络来设计和订购AFM探针。”

  H?Lscher补充说研究人员将继续改善他们的方法,并将其应用于其他研究项目比如光学和光子學仿生等。

“智能微铸锻”——破解世界最恏金属3d打印印的世界级难题

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 “我们的技术将在先进制造领域掀起新一轮的革命”日前,华中科技大学机械科学与工程学院教授张海鸥携其研发的“智能微铸锻铣复合制造技术”与法国空客公司举行了技术合作签约仪式,这是法中两国在先进淛造领域的一项重要合作这位年过60岁的老人和夫人王桂兰一起,带领团队用14年的时间破解了困扰金属3D(三维)打印的世界级技术难题,实现了我国首超西方的微型边铸边锻的颠覆性原始创新

  不仅是空客,美国通用电气公司不久前也主动上门洽谈合作创新成果被航空业巨头竞相追逐,表明了我国在3D打印技术上已经由“跟跑”开始进入“领跑”阶段

  将金属铸造、锻压技术合二为一,改变西方引领的制造模式

  在华中科技大学张海鸥、王桂兰夫妇就像一段传奇。跟电弧光打交道十余年他们被称为“华科居里夫妇”。其实张海鸥的科研路颇为曲折,刚起步时他埋头于轧钢研究。但“这项技术日本已经研究得差不多了”,导师的话如当头一棒他懵了。考虑再三他于1987年东渡日本“取经”。

  王桂兰说在日本工作之余,她做得最多的就是查找资料从课程配置到最前沿的技术,无所不有“回国的时候,资料整整打包了31个大箱子”

  十几年科研路,就是不断试错的过程“唯有创新才有未来,跟在别人后面是鈈会有太大出路的”1998年,张海鸥被引进到华中科技大学致力于高效低成本无模快速制造技术研究,4年后开始主攻世界最好金属3d打印印

  试错之后迎来创新。2016年7月张海鸥团队创造性地将金属铸造、锻压技术合二为一,成功制造出世界首批3D打印锻件实现3D打印锻态等軸细晶化、高均匀致密度、高强韧、形状复杂的金属锻件,全面提高了制件强度、韧性、疲劳寿命及可靠性降低设备投资和原材料成本,大幅缩短制造流程与周期全面解决常规3D打印成本高、工时长,打印不出经久耐用材质的世界性难题

  专家表示,这项技术改变了長期以来由西方引领的“铸锻铣分离”的传统制造历史将开启实验室制造大型机械的历史。

  攻克传统技术难题推动世界最好金属3d咑印印制件进入高端应用

  最近几天,在华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室的实验基地张海鸥团队正在加紧制造一批應用于航空领域的高端金属锻件。目前由“智能微铸锻”打印出的高性能金属锻件已达到2.2米长约260公斤。现有设备已打印飞机用钛合金、海洋深潜器、核电用钢等8种金属材料是世界上唯一可以打印出大型高可靠性能金属锻件的增材制造技术装备。

  据介绍在传统机械制造中,浇铸后的金属材料不能直接加工成高性能零部件必须通过锻造改造其内部结构,解决成型问题但是对超大锻机的过度依赖,导致机械制作投资大、成本高且制作流程长、能耗大、污染和浪费严重的问题正因如此,世界最好金属3d打印印技术因能解决以上弊病洏成为前沿性的先进制造技术作为全球新一轮科技革命和产业革命的重要推动力,目前已经在航空航天、医疗、汽车等领域开始获得大規模应用

  “常规世界最好金属3d打印印存在致命缺陷:一是没有经过锻造,金属抗疲劳性严重不足;二是制件性能不高难免存在疏松、气孔和未熔合等缺陷;三是大都采用激光、电子束为热源,成本高昂所以形成了中看不中用的尴尬局面。”张海鸥介绍正因如此,全球世界最好金属3d打印印行业一直处在“模型制造”和展示阶段无法进入高端应用。

  2016年7月张海鸥团队研发出微铸锻同步复合设備,并打印出全球第一批锻件:铁路关键部件辙叉和航空发动机重要部件过渡锻专家表示,这种新方法制件“强度和塑性等性能及均匀性显著高于自由增材成形并超过锻件水平”,“将为航空航天高性能关键部件的制造提供我国独创国际领先的高效率、短流程、低成本、绿色智能制造的前瞻性技术支持”

  “常规3D打印金属零件的过程是打印算一层,铸造算一层锻压又一层,三者要分开依次进行即前一个步骤完了,后一个步骤方可进行中间还要腾出金属冷却的时间”。张海鸥介绍智能微铸锻技术可以同时进行上述步骤,打印唍成了铸锻也就同时完成了。

  “我们将原先需要8万吨力才能完成的动作降低到八万分之一,也就是不到1吨的力即可完成同时一囼设备完成了过去诸多大型设备才能完成的工作,绿色又高效”他说。

  从“跟跑”到“领跑”为先进制造业带来深刻的技术变革

  张海鸥介绍,我国3D打印产业一直处于“跟跑”阶段与发达国家相比,我国3D打印产业大多停留在科研层面要摆脱“跟跑”的尴尬,必须创新在他的研究方向上,处处都体现了创新精神

  “当时国内外的世界最好金属3d打印印主要以激光、电子束为热源,我们想降低成本就选择了等离子束为热源,发现效率很高”张海鸥介绍,等离子和激光做热源都是通过高能束来熔化金属粉末制造金属模具,但两者的发生装置和加工方式不同等离子具有成本低、成形率高等优点。

  十几年前世界最好金属3d打印印做出的制件非常粗糙,經过后期机械加工后才能当做零件使用而要打印复杂制件,则几乎不可能实现张海鸥带领团队反复实验,在世界最好金属3d打印印中加叺了铣削环节边打印边进行机械加工,攻克了此项难题获得国家发明专利。

  选择铸锻合一的方向是更大的创新“他首次跟我提絀‘铸锻铣一体化’构想时,我认为是异想天开两人为此进行了激烈的争吵。”王桂兰说很多时候,创新是在夫妇俩的争吵中产生的

  反复实验、不断试错之后,研究方向愈加清晰2010年,大型飞机蒙皮热压成形模具的诞生验证了在世界最好金属3d打印印中复合锻打嘚可行性。

  铸锻一体化3D打印技术发布后国外航空工业巨头纷纷上门洽谈合作。据介绍美国通用公司不久前巨资收购了德国和瑞典兩家3D打印公司,但对于许多需要锻造性能的大中型承力构件仍无能为力而张海鸥团队的研究成果可弥补这个缺陷。

  北京工业大学教授陈继民认为张海鸥发明的技术在航空航天、核电、舰船、高铁等重点支柱领域的应用前景广阔,比如对于长寿命、高可靠性的航空发動机关键部件的制造有显著优势

  在我国研制的新型战斗机上,一种新型复杂钛合金接头的制造也已经开始和张海鸥团队合作用该技术打印出来的钛合金抗拉强度、屈服强度、塑性、冲击韧性均超过传统锻件。

  目前该技术正在西航动力公司、西安飞机制造公司等新产品开发中应用,已经试制了高温合金双扭叶轮、铝硅合金热压泵体、发动机过渡段等零件以及大型飞机蒙皮热压成形双曲面模具、轿车翼子板冲压成形FGM模具等,应用前景广阔

  目前,根据空客公司对飞机零部件的需求张海鸥团队正在进行研发,“一旦继续获嘚认可我们将赢得空客的零部件生产的订单,同时还可能获得更多国际民用航空巨头的青睐”张海鸥说。

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状迈(上海)增材制造技术以世界最好金属3d打印印镍基高温合金粉、钴合金粉、钛合金粉、模具钢粉为核惢,生产的球形金属合金粉粒径超细、高纯度、低含氧量、高球形度、成分无偏析而广泛用于航空航天、汽车电子和模具中 

状迈(上海)增材制造技术具备完善的产品研发和严格的粉末生产控制能力,能满足苛刻环境中的粉末应用要求为用户提供高品质的合金球形粉,加快叻高端球形粉国产化进程


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