Technion探索3D打印如何应用于异质材料微结构

增材制造技术

增材制造技术

微结构指的是材料的微型多孔结构,通常只能通过放大镜观察。无论是金属、聚合物还是陶瓷,任何一种材料的微结构都决定着它的质量分布、柔韧性、强度等物理特性。

微结构的优化可能是自然发生的,比如人体骨骼由复杂的结构构成,这让它变得坚硬又轻量。通过对不同行业和应用的分析,简单地改变特定材料的加工方法可以增强其重要的物理属性。随着增材制造技术的发展,越来越多的研究人员看到了定制微结构满足各种需求的潜在好处。

以色列理工学院Technion的研究人员发现了增材制造有助简化和改进微结构设计的几种方法。计算机科学教授、几何学设计学者Gershon Elber多年来一直对增材制造颇有兴趣。

“大概在10年前,我们意识到这个世界正在改变。过去我们使用的是减材制造,用机器切割材料以获得想要的形状。但现在,我们第一次发现材料可以是异质的,这让微结构设计变得更加容易。”

  —Gershon Elber

  计算机科学教授、几何学设计学者

  他之前尝试过3D打印的微结构,但设计流程不够方便,也不够省时。一直以来,计算机科学系还无法负担高质量、多材料、可以精准控制到体素水平的3D打印机

Stratasys J55™的出现,让这一切得以改变。它的高性价比让教育机构也能负担得起,对Technion的研究者来说是非常完美的选择。Elber当即发现了这款打印机和适配软件(如GrabCAD Voxel Print™)的潜力。

“我们在购买打印机时,考察了很多其他公司。”他说。“没有其他公司能够提供和Stratasys类似的产品,它的PolyJet技术是独一无二的。

J55的多彩色、多材料性能意味着研究者可以通过它设计和打印微结构模型,这是传统方法无法实现的。Voxel Print软件则允许研究人员“绘制”渐变色彩的微量元素,并将它们按体积应用于模型中。

Stratasys J55

现实世界中的微结构

一些非常重要的学术研究为这项技术的实际应用奠定了基础。Technion的研究人员探索出了几个可从3D打印微结构中受益的领域。

热交换器是其中一种可能的应用,它用于散热器和空调等系统的加热和冷却。根据它的不同功能,热交换器有的需要导热性好、有的则需要能够防止热传递。

传统的热交换器通常是预制的圆柱形或直线型,有了PolyJet技术,设计者就有可能定制出符合应用或设计要求的加热器。

3D打印

研究人员还探索了3D打印微结构在航天航空领域的应用。飞机机翼必须坚固、结实,但又要足够轻巧才能起飞。

传统机翼的内部结构由翼梁和翼肋组成,以保持轻巧耐用。这种设计意味机翼的绝大部分表面积都会承载部分压力,因为它需要弯曲,就需要更多支撑。3D打印则可实现多孔的内部设计,从而最大限度地减少表面压力、减轻重量。

PolyJet技术

 

“我们的分析一直是体积化的,体积建模允许我们针对不同的目的定制微结构。”Gershon说道,“这为我们带来了巨大的好处,我相信这会是未来的主流。”

展望未来

尽管很多探索都还在初级阶段,但Technion的研究人员相信3D打印微结构将改变不同行业的零部件设计和制造方式。据Elber介绍,这一想法虽然很新,但潜力无穷。

“制造技术领先于我们的设计和分析,这是史无前例的。通过3D打印,我们可以制造出商业CAD系统无法设计的产品。我迫不及待地想知道下一步它会将我们的研究带向何处。”

  —Gershon Elber

  计算机科学教授、几何学设计学者

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