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扫描电镜在3D打印行业中的应用

 发布时间:2017-12-15 点击量:2259

3D打印,即增材制造(Additive Manufacturing,AM),指用于制作3D打印项目的过程。为了达到这个目的,在计算机控制下,逐层形成一个物体。这些物体几乎可以是任何形状,并使用3D模型或其他电子数据来源产生。但是,在计算机控制下逐层打印可能会出现结构中断,从而对打印物体的可靠性产生负面影响。这些不良的干扰不应不被察觉;稍后会在这篇博客中讨论一些问题。首先,让我们一起探讨3D打印。

 

3D打印(3DP)即快速成型技术的一种,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

 

日常生活中使用的普通打印机可以打印电脑设计的平面物品,而所谓的3D打印机与普通打印机工作原理基本相同,只是打印材料有些不同,普通打印机的打印材料是墨水和纸张,而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”,是实实在在的原材料,打印机与电脑连接后,通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来,zui终把计算机上的蓝图变成实物。

 

通俗地说,3D打印机是可以“打印”出真实的3D物体的一种设备,比如打印一个机器人、打印玩具车,打印各种模型,甚至是食物等等。之所以通俗地称其为“打印机”是参照了普通打印机的技术原理,因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。这项打印技术称为3D立体打印技术。

 

3D打印——车模

 

3D打印——食物

 

3D打印技术名称随着技术的进化层出不穷:光聚合(VAT Photopolymerization),粉末床融化(PBF Powder Bed Fusion), 粘结剂喷射(Binder Jetting), 材料喷射(Material Jetting), 层压(Sheet Lamination), 材料挤出(Material Extrusion),直接能量沉积(DED Directed Energy Deposition ), 混合增材制造HYBRID。

 

用于金属粉末烧结的增材制造

 

粉末冶金 (PM) 是通用术语,指采用高温高压技术使粉末颗粒熔结在一起,从而将金属粉末固结为固体部件;这一过程也称为加压烧结。增材制造技术也使用金属粉末作为进料,但它不是使用高温高压技术在模具中将粉末颗粒熔结在一起。金属粉末激光烧结机是基于金属粉末的激光选区烧结增材制造技术和相关工艺,属于3D打印技术的一个重要应用领域。增材制造方法用于烧结广泛的金属粉末,例如轻合金、钛合金、钢合金以及高分子材料(如聚酰胺)或陶瓷和复合材料。

 

直接金属激光烧结(DMLS)是通过使用高能量的激光束再由3D模型数据控制来局部熔化金属基体,同时烧结固化粉末金属材料并自动地层层堆叠,以生成致密的几何形状的实体零件。这种零件制造工艺被称为“直接金属激光烧结技术(Direct Metal Laser-Sintering)”,是用于生产复杂形状的技术。

 

通过选用不同的烧结材料和调节工艺参数,可以生成性能差异变化很大的零件,从具有多孔性的透气钢,到耐腐蚀的不锈钢再到组织致密的模具钢(强度优于铸造或锻造)。

 

3D打印和扫描电镜

 

2016年,Walczak等人(Applied Computer Science, vol. 12, no.3, pp 29-36)通过3D打印方法,对17 – 4PH钢制品的特性进行了研究。结果表明,扫描电镜分析显示激光烧结后的焊接表面的结构中存在缺陷,这种现象是不合需要的,降低了打印物品的质量。

 

图1:SEM图像中的微型兔(低倍下无缺陷显示)

 

图2:在较高的放大倍数下微型像,显示了表面结构的缺陷

 

因此,扫描电镜是检测3D打印物品表面缺陷的有效工具。

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