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掃描電鏡在3D打印行業(yè)中的應(yīng)用

 更新時間:2017-12-15 點擊量:3400

3D打印,即增材制造(Additive Manufacturing,AM),指用于制作3D打印項目的過程。為了達到這個目的,在計算機控制下,逐層形成一個物體。這些物體幾乎可以是任何形狀,并使用3D模型或其他電子數(shù)據(jù)來源產(chǎn)生。但是,在計算機控制下逐層打印可能會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)中斷,從而對打印物體的可靠性產(chǎn)生負面影響。這些不良的干擾不應(yīng)不被察覺;稍后會在這篇博客中討論一些問題。首先,讓我們一起探討3D打印。

 

3D打印(3DP)即快速成型技術(shù)的一種,它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ),運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料,通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。

 

日常生活中使用的普通打印機可以打印電腦設(shè)計的平面物品,而所謂的3D打印機與普通打印機工作原理基本相同,只是打印材料有些不同,普通打印機的打印材料是墨水和紙張,而3D打印機內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”,是實實在在的原材料,打印機與電腦連接后,通過電腦控制可以把“打印材料”一層層疊加起來,zui終把計算機上的藍圖變成實物。

 

通俗地說,3D打印機是可以“打印”出真實的3D物體的一種設(shè)備,比如打印一個機器人、打印玩具車,打印各種模型,甚至是食物等等。之所以通俗地稱其為“打印機”是參照了普通打印機的技術(shù)原理,因為分層加工的過程與噴墨打印十分相似。這項打印技術(shù)稱為3D立體打印技術(shù)。

 

3D打印——車模

 

3D打印——食物

 

3D打印技術(shù)名稱隨著技術(shù)的進化層出不窮:光聚合(VAT Photopolymerization),粉末床融化(PBF Powder Bed Fusion), 粘結(jié)劑噴射(Binder Jetting), 材料噴射(Material Jetting), 層壓(Sheet Lamination), 材料擠出(Material Extrusion),直接能量沉積(DED Directed Energy Deposition ), 混合增材制造HYBRID。

 

用于金屬粉末燒結(jié)的增材制造

 

粉末冶金 (PM) 是通用術(shù)語,指采用高溫高壓技術(shù)使粉末顆粒熔結(jié)在一起,從而將金屬粉末固結(jié)為固體部件;這一過程也稱為加壓燒結(jié)。增材制造技術(shù)也使用金屬粉末作為進料,但它不是使用高溫高壓技術(shù)在模具中將粉末顆粒熔結(jié)在一起。金屬粉末激光燒結(jié)機是基于金屬粉末的激光選區(qū)燒結(jié)增材制造技術(shù)和相關(guān)工藝,屬于3D打印技術(shù)的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域。增材制造方法用于燒結(jié)廣泛的金屬粉末,例如輕合金、鈦合金、鋼合金以及高分子材料(如聚酰胺)或陶瓷和復(fù)合材料。

 

直接金屬激光燒結(jié)(DMLS)是通過使用高能量的激光束再由3D模型數(shù)據(jù)控制來局部熔化金屬基體,同時燒結(jié)固化粉末金屬材料并自動地層層堆疊,以生成致密的幾何形狀的實體零件。這種零件制造工藝被稱為“直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)(Direct Metal Laser-Sintering)”,是用于生產(chǎn)復(fù)雜形狀的技術(shù)。

 

通過選用不同的燒結(jié)材料和調(diào)節(jié)工藝參數(shù),可以生成性能差異變化很大的零件,從具有多孔性的透氣鋼,到耐腐蝕的不銹鋼再到組織致密的模具鋼(強度優(yōu)于鑄造或鍛造)。

 

3D打印和掃描電鏡

 

2016年,Walczak等人(Applied Computer Science, vol. 12, no.3, pp 29-36)通過3D打印方法,對17 – 4PH鋼制品的特性進行了研究。結(jié)果表明,掃描電鏡分析顯示激光燒結(jié)后的焊接表面的結(jié)構(gòu)中存在缺陷,這種現(xiàn)象是不合需要的,降低了打印物品的質(zhì)量。

 

圖1:SEM圖像中的微型兔(低倍下無缺陷顯示)

 

圖2:在較高的放大倍數(shù)下微型像,顯示了表面結(jié)構(gòu)的缺陷

 

因此,掃描電鏡是檢測3D打印物品表面缺陷的有效工具。

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