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NIST科学家在纳米尺度上开发3D打印凝胶和软材料的新方法

NIST科学家在纳米尺度上开发3D打印凝胶和软材料的新方法

  中国3D打印网9月24日讯,美国国家标准技术研究院(NIST)的研究人员开发了一种3D打印凝胶和软材料的新方法。该研究团队没有像大多数现代软材料3D打印机那样使用紫外激光(UV)或可见光来引发其凝胶,而是利用电子和X射线束来固化一系列光敏树脂。事实证明,这些短波长的激光比常规光束更聚焦,并且能够制造具有高水平结构细节的凝胶,尺寸小至100纳米(nm)。NIST科学家最新开发的技术可以创建复杂的微观结构,例如柔性电极,生物传感器或软微型机器人。

NIST团队最终使用他们的技术生产了微观的细胞界面结构
NIST团队最终使用他们的技术生产了微观的细胞界面结构(如图)。图片来自ACS Nano期刊。
  光固化聚合物的不同方法
         光固化聚合物开发方面的最新创新大大改善了软材料3D打印所能达到的速度和分辨率。这些新增强的配方使光学光刻和立体光刻(SLA)方法可用于创建越来越小的物体,其中一些物体的波长为100nm。
        相比之下,传统的软制造方法(例如电子束光刻(EBL))无法跟上步伐,需要紧密聚焦的电子束才能有效发挥作用。尽管EBL通常用于聚合物和凝胶膜的构图,但它只能在激光和材料之间进行高水平的交互作用,从而限制了它可以生产的物体的复杂性。
          聚焦电子束诱导沉积(3D-FEBID)代表了一种更具创新性的3D打印方法,它使用电子束来分离含气态含金属前体的表面。实验技术能够以超高分辨率创建对象,但代价是比传统方法要慢得多。同样,在深X射线光刻技术的开发中也取得了重大进展,该技术使用聚焦于区域板的光束精确制造高纵横比的微结构。先进的生产工艺可减少辐射损伤,这使其可以用于医疗应用,例如带电系统内的聚合反应。
         不幸的是,面向X射线的方法也有缺点。目前,X射线束发出的短波长只能在真空中工作,因此每个腔室中的液体可能会蒸发而不形成凝胶。为了克服这一限制,研究小组得出了理论,即使用薄的电子透明屏障,可以防止液体蒸发,同时允许电子束穿透凝胶。
 研究人员能够调节电子束的强度,以创建具有预定参数的物体
  研究人员能够调节电子束的强度,以创建具有预定参数的物体。图片来自ACS Nano期刊。
  NIST团队基于凝胶的3D打印方法
         为了有效地将聚焦的电子束和软X射线束传递到其液体溶液中,研究人员设计了一组封闭的流体室。这些设备配备有30–50 nm的氮化硅(SiN)薄膜,可将液体与显微镜的真空隔离。在测试过程中,将20%w / v的聚(乙二醇)二丙烯酸酯(PEGDA)水溶液和9个相同的膜窗填充到腔室中。通过仅改变光束的一个参数(例如光束的能量,强度,步长或停留时间),同时保持其他参数不变,屏障被用于创建具有一系列不同特征集的零件。
          冲洗掉未固化的溶液后,研究小组使用了原子力显微镜(AFM)来检查其交联结构。通过比较处于水合和干燥状态的样品物体的高度,研究人员最终能够始终如一地打印它们并估算基于凝胶的物体的尺寸,而无需直接对其进行测量。 而且,该方法被证明能够生产100-150nm宽的结构,从而使研究人员推测该方法可用于创建计算机与大脑的接口设备。为了测试其新技术与活细胞的连接能力,研究小组进行了进一步的实验,将SiN膜细胞和PEGDA聚合物暴露于电子束中。

3D打印固态锂电池:更安全,更便宜,能量密度更高

3D打印固态锂电池:更安全,更便宜,能量密度更高

    中国3D打印网9月23日讯,我们平时在发现,新买的玩具孩子还没有玩尽兴,就没有电了,而大多数电池使用很短,而且昂贵。所以很高兴我们知道许多研究人员正在投入时间和资源来确定如何进行3D打印电池。虽然电池不是您可以在普通台式机系统上快速打印出来的东西。但是,3D打印电池还有其他优点。
  锂离子电池
  锂离子电池(图片由维基百科提供)
        瑞士控股公司Blackstone Resources AG专注于金属电池市场,并一直通过其德国子公司Blackstone Technology GmbH投资于下一代电池技术。该公司刚刚宣布,其使用专有3D打印技术制造锂离子固态电池的努力已达到实用的地地步。 Blackstone Resources AG坚信,它可以大量,低成本地生产出具有更高能量密度水平的可靠锂离子电池。目标是使成本大大低于每千瓦时80欧元。这将代表存储技术的最终突破。据中国3D打印网了解,传统的电池设计使用液体或聚合物凝胶电解质,而固态电池则使用固体电极和固体电解质。它们不需要使用易燃的液体电解质,因此使用起来更安全,但要花很多钱。
        Blackstone Resources AG表示,与传统的制造方式相比,使用其获得专利的3D打印工艺制造电池具有许多优势,例如,充电次数更多,成本更低,此外能量密度提高了20%以上,并且产量提高了单元格格式方面的灵活性。

(图片由弗劳恩霍夫研究所提供)
        “ Blackstone已开发的获得专利的3D打印电池技术,由于其先进的处理技术,其能量密度比传统的锂离子电池高25%。除了较厚的层外,几乎所有几何图形都可以打印。多层电池也是可能的,它可以在电池单元级别提供更高的电压。 3D打印电池技术是大规模生产固态电池(SSB)的关键。通过开发固态电池打印技术,Blackstone将能够以更低的成本将其生产的电池的能量密度提高一倍。而且,在此过程中,它将能够为其提供自己的电池金属。”   此外,通过采用3D打印制造电池,可以将不存储任何能量的材料(例如铝和铜)的数量减少多达10%。
        该公司现在正在迈向新的高度,并计划生产3D打印固态电池,实际上已经创建并测试了其首批SSB电池原型。现在,正致力于进一步发展其技术,以便能够3D打印SSB电池进行批量生产。

(图片由ECS提供—电化学学会,2019年)

新型多材料3D打印将不同的金属和陶瓷组合成一个零件

新型多材料3D打印将不同的金属和陶瓷组合成一个零件

中国3D打印网9月16日讯,德国研究机构的弗劳恩霍夫家族不断发明新颖的制造方法和辅助技术。这次是弗劳恩霍夫陶瓷技术与系统研究所(IKTS)的最新产品,是一种多材料喷墨系统,能够在单一结构中3D打印多种金属或陶瓷。为了证明这一过程,Fraunhofer IKTS研究人员3D打印了带有内置点火装置的陶瓷卫星。
Fraunhofer IKTS开发的多材料喷射系统
  Fraunhofer IKTS开发的多材料喷射系统
     该技术类似于现有的聚合物喷墨3D打印技术,例如Stratasys的PolyJet。然而,它始于将陶瓷或金属粉末混入热塑性粘合剂中。然后在大约100°C的温度下在微剂量系统中将这种浆液融化,然后以高达60 mm的速率沉积,每秒沉积1,000滴,液滴的大小范围为300至1,000μm,形成的层数为100高度为200μm。零件尺寸可以达到20×20×18厘米(7.87英寸x 7.87英寸x 7.09英寸)。
         弗劳恩霍夫(Fraunhofer)IKTS研究人员Uwe Scheithauer解释说:“这里的关键因素是金属或陶瓷浆料的定制配料。正确确定剂量是确保增材制造的最终产品在随后的熔炉烧结过程中具有所需性能和功能的关键,包括强度,导热率和导电率等性能。”团队开发的软件可确保达到这种精度,以确保在打印过程中液滴的精确定位。
微剂量系统的渲染

STRATASYS与时装设计师合作,优化直接纺织3D打印

STRATASYS与时装设计师合作,优化直接纺织3D打印

  中国3D打印网9月14日讯,Stratasys今天宣布了与著名时装设计师Ganit Goldstein和Julia Koerner的两项合作作品,他们一直在与他们合作优化其新颖的直接纺织PolyJet技术。这项合作是研究项目Re-FREAM的一部分,该项目由欧盟资助,汇集了艺术家,设计师,工程师和科学家,以探讨3D打印在时尚行业中的使用。
      “从当今的时尚世界来看,我想介绍一种新的制造方式-从大规模生产转向定制设计。” Goldstein说。 “ 3D打印始终提供了以前所未有的方式实现个性化设计的潜力,但是要真正创建一种新的制造方式需要一种新型的纺织品。”
由Ganit Goldstein使用直接纺织多色3D打印技术生产的日式和服
直接纺织 由Ganit Goldstein使用直接纺织多色3D打印技术生产的日式和服。图片来自Stratasys。
  时装界的3D打印
         3D打印提供了创作自由,在最近的时尚盛会中发挥着越来越重要的作用,例如纽约市的2019年Met Gala上,GE Additive和Protolabs用3D打印了著名的名人模特服装。与此同时,像Iris Van Herpen这样的先锋设计师在2019年巴黎时装周上首次亮相了她的新3D打印面部珠宝系列``Cellchemy'',这激发了许多新兴设计师对3D打印的兴趣。
         尽管对3D打印技术进行了创新性的使用,以创建附加到织物服装或整个服装本身的单独元素,但是由于过程的复杂性,很少使用直接在服装上进行3D打印的技术。在2019年纽约时装周(NYFW)期间,Stratasys与著名的时装设计师ThreeASFOUR和Travis Fitch合作推出了可直接在织物上进行3D打印的功能。该公司希望通过对PolyJet技术功能的演示,可以向世界展示3D打印技术和织物舒适度相结合时的时装设计。
  合作
        Koerner在今天的虚拟ARS电子音乐节上展示了她的最新系列ARID, ARID围绕自然界的几何形状以及具有多色3D打印部件的纺织品的连通性和适应性而构建。该系列包括38个3D打印部件,这些部件可以组合成一件正装,也可以布置成许多不同的外观。
       使用Stratasys的PolyJet技术将数字设计直接3D打印到鲜艳的色彩上可持续的织物上。通过从佩戴者的3D扫描获得的修改后的3D打印连接器,可以轻松调整个人尺寸。所有接缝均与3D打印细木工连接,根据Stratasys的说法,这是3D打印连接器首次用于纺织品组装。
朱莉娅·科纳(Julia Koerner)的ARID系列2020
直接纺织  朱莉娅·科纳(Julia Koerner)的ARID系列2020。图片来自Stratasys。
          与Goldstein的合作专注于将工艺方法与直接纺织3D打印相结合,以生产日式服装。受亚洲工艺刺绣和纺织品绘画的启发,她的和服设计遵循日本的“ ikat”着色方法,该方法通过遵循一种基于和服的3D人体扫描的算法得以实现,并在打印过程中转换为打印表面。这使纺织品首次以3D打印方式被用作服装的骨架,从而允许设计师将独特的设计推向市场,这是其他方法无法实现的。

哈佛研究人员开发出生态友好的形状记忆3D打印材料

哈佛研究人员开发出生态友好的形状记忆3D打印材料

中国3D打印网9月9日讯,哈佛大学工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员已经开发出一种3D打印材料,该材料可以预先编程为具有可逆的形状记忆功能。哈佛团队的新型长丝由两条角蛋白链组成,这些角蛋白链排列成扭曲在一起的弹簧状结构。一旦组合成“线圈”,该材料就可以改变为任何形状,然后以“形状记忆效应”恢复其原始形状。
        考虑到该团队的生物相容性材料是使用再生羊毛制成的,该聚合物还具有潜在的生态效益,并在医疗修复和纺织领域得到了应用。该论文的资深作者基特·帕克说:“通过这个项目,我们证明了我们不仅可以回收羊毛,而且可以用从未想象过的回收羊毛来制造东西。利用再生的角蛋白,我们所能做的与剪羊毛所能做的一样多或更多,并减少了纺织和时装业对环境的影响。”
  对形状记忆材料的需求不断增长
        近年来,形状记忆材料的应用数量呈指数增长。土木工程,航空航天,可穿戴设备和医疗设备领域的公司都显示出对可定制聚合物的需求不断增长,并且比现有聚合物具有更大的灵活性。尽管最近在该领域进行了研究,但是开发可定制和生物相容的材料仍然是一个挑战。特别是,事实证明,很难在所有空间尺度上都以分子水平控制聚合物的致动机制。
         形状记忆特征通常与合成物有关,但是它们也可以在生物基质中看到,基于角蛋白的螺旋表明连续的结构转变。在诸如海蜗牛卵囊或动物皮肤之类的生物组织中,他们通过进化发展了这种机械转化,以保护它们免受捕食者侵害。受到自然界中应用的启发,哈佛团队着手在高度可加工的印刷材料中复制反应。
       研究人员的新型长丝特别基于动物毛中存在的角蛋白各向异性组织。使用天然羊毛作为团队3D打印材料的基础,具有许多优点,例如水触发响应和比类似的现有系统更高的拉伸强度。基于挤出的生产也被证明与羊毛高度兼容,因为它可以自组织成“原纤维”(或簇),从而提高了可加工性。
哈佛团队使用他们的新颖材料创建了一系列具有形状记忆功能的结构
  哈佛团队使用他们的新颖材料创建了一系列具有形状记忆功能的结构。 Gif通过哈佛SEAS。
  哈佛团队的羊毛长丝
        该研究小组使用了从废弃服装的安哥拉羊毛中提取的原纤维角蛋白来制造新型3D打印聚合物。为了提取和利用羊毛中的角蛋白含量,研究小组使用了溴化锂和二硫苏糖醇(DTT)溶液的组合来诱导固液转变。然后将所得结晶的角蛋白进一步挤出,将其从蛋白质浓液变成可印刷的水凝胶。
        为了评估化学反应的影响,研究小组部署了低温透射电子显微镜,以验证单个角蛋白链已成功形成卷曲螺旋。结果表明,单链已经汇聚成较大的原纤维,约3nm,几乎没有蛋白质降解的迹象。进一步的显微照片测试还表明,该材料的抗张强度为+ 1.03MPa,与尼龙和丝纤维的抗张强度相同。

印度Skyroot测试带100%3D打印喷油器的火箭发动机

印度Skyroot测试带100%3D打印喷油器的火箭发动机

  自从SpaceX首次亮相以来,私人太空发射业已大大扩展,但是某些市场(例如印度)现在才获得监管支持,现在,这些障碍正在逐渐消除,印度私人发射初创公司Skyroot正在飞跃成为该国第一家私人航天运载火箭制造商,并通过一项新的成功的上级发动机燃烧测试取得了重大技术进步。近日,Skyroot 成功地测试了装有带100%3D打印喷油器的火箭发动机,火箭发动机是配置在其Vikram I运载火箭上的。

GE动态控制3D打印-增材制造过程的专利获得通过

GE动态控制3D打印-增材制造过程的专利获得通过

LLNL国家实验室的金属增材制造加速认证总监Wayne King在GE打造的Industry in 3D系列脱口秀访谈节目中,谈到依靠人类的经验来进行加工质量提升,这个过程是充满痛苦和煎熬的。这种基于人的经验加工技术将要被基于科学的加工技术所替代,他认为前置反馈将要颠覆当前的3D打印现状。

       前置反馈像3D打印设备的大脑,“告诉”打印机如何做避免错误。利用所能得到的最新信息,进行认真、反复的预测,把计划所要达到的目标同预测相比较,并采取措施修改计划,以使预测与计划目标相吻合。如今,根据3D科学谷的市场观察,GE有关动态地控制3D打印-增材制造过程的专利获得通过,这其中的核心正是前置反馈。

惠普3D打印助力汽车行业的发展

惠普3D打印助力汽车行业的发展

     《Wohlers Report 2020》指出, 2019年全球3D打印市场总值达到118.67亿美元,汽车行业则以16.4%的占有率引领行业应用。可见正在经历100多年来最大规模转型的汽车行业,正在利用与时俱进的3D打印技术提升市场竞争力。惠普Multi Jet Fusion 3D打印技术,通过技术革新,助力汽车行业加速数字化转型之旅,颠覆现有格局。

澳大利亚陆军SPEE3D金属3D打印机进行第二次实战测试

澳大利亚陆军SPEE3D金属3D打印机进行第二次实战测试

中国3D打印网8月25日讯,澳大利亚陆军已经使用SPEE3D的WARPSPEE3D增材制造系统进行了第二次野战演习。在今年早些时候澳大利亚陆军进行的首次野外试验取得成功之后,金属3D打印机已重新部署到该国敌对的北领地(NT)。使用升级后的机器,士兵们可以在高达37度的窒息温度下3D打印最终用途的组件。 SPEE3D首席执行官拜伦·肯尼迪(Byron Kennedy)表示,为期两周的测试表明,SPEE3D的系统是在需要时生产军用零件的可行解决方案。
         肯尼迪说:“为期两周的试验证明WarpSPEE3D是一台坚固的主力军,能够打印实际零件并解决现场的实际问题。这也证明了士兵可以控制从所需的零件到实际应用,印刷和后处理的整个工作流程,以创建所需的零件。第二次现场部署证明了我们的技术是用于远距离金属3D印刷的真正解决方案。”

第1作战服务支援营的澳大利亚陆军下士肖恩·巴顿(Sean Barton)(右)和工匠内森·赖安(Naythan Ryan)正在准备运行WarpSPEE3D打印机。图片来自澳大利亚陆军。
 澳大利亚陆军越来越多地采用3D打印
        自2014年以来,澳大利亚陆军一直致力于将3D打印技术集成到其作战设施中,以期迅速为其士兵生产定制设备。澳大利亚国防军军官崔中尉当时表示,他希望到2020年,澳大利亚军队能够充分利用3D打印的全部优势。事实证明,崔中尉与他的预测相距不远。 2019年2月,澳大利亚皇家海军争取到金属3D打印机制造商SPEE3D的帮助,这是一项耗资150万澳元的增材制造项目的一部分。 SPEE3D与查尔斯·达尔文大学(CDU)的先进制造联盟(AMA)一起工作,简化了海军的巡逻舰的维修过程。
         2020年2月,澳大利亚国防部长梅利莎·普莱斯(Melissa Price)宣布,SPEE3D和CDU签订了第二份150万澳元的合同,以支持澳大利亚陆军。这项为期12个月的试验计划在达尔文的罗伯逊兵营中安装了WARPSPEE3D系统,而20名士兵则在基民盟接受了有关如何操作机器的基本培训。
在澳大利亚陆军进行两次野外测试之前,CDU对20名士兵进行了编程和操作打印机的培训
在澳大利亚陆军进行两次野外测试之前,CDU对20名士兵进行了编程和操作打印机的培训。图片来自澳大利亚陆军。
  SPEE3D系统的成功现场测试
        在初步试验成功之后,由20人组成的特遣部队于2020年6月上旬部署到澳大利亚北领地。第1作战服务支援大队的士兵将WARPSPEE3D 3D打印机用卡车推到灌木丛中120公里,进行为期3天的测试。位于Mount Bundey野外训练区。该项目的总体目标是使用3D打印机来提高澳大利亚陆军供应链的灵活性。
         在最初的野外评估期间,士兵将机器移至几个灌木丛位置,将其卸载到不同的地形上,并使打印机在30分钟内即可运行。 SPEE3D系统的速度和移动性使士兵可以在移动中打印部件,而无需在训练中携带零件。当时,赖特中校说,该系统的便携性还可以使澳大利亚军方在战斗任务中更好地维修损坏的设备。赖特说:“在这样的环境中打印维修零件的能力有可能显着减少我们的占地面积并当场维修损坏的设备,从而使我们的重心回到我们的首要任务。”
在成功的现场测试之后,SPEE3D的系统可以部署在澳大利亚陆军作战的其他区域
在成功的现场测试之后,SPEE3D的系统可以部署在澳大利亚陆军作战的其他区域。图片来自澳大利亚陆军。

美国实验室开发自修复3D打印材料

美国实验室开发自修复3D打印材料

近年来,弹性体3D打印材料提供的柔韧性和强度,推动了其在消费产品领域中的应用。许多研究人员开发了增强的弹性体基述职,以试图扩大其在不同行业中的应用。美国陆军实研究实验室与德克萨斯AM大学联合,开发具有自愈功能的3D聚合物材料,该技术将会应用于从人造肢体到柔性航空部件等多个领域。

可自我修复的弹性3D打印材料

可自我修复的弹性3D打印材料

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