增材制造

[size=18px][b]前言[/b]增材制造（AM）技术又称3D打印，凭借其定制化、精密制造等优势，近年来在医疗、汽车及航天航空等领域发挥着越来越重要的作用。与传统工艺类似，增材制造工艺中的原材料和成品都需要进行相关的表征测试，以符合相应的质量标准。其中，孔隙度是评估增材制造过程的重要指标，粉体的孔隙度会强烈影响成型过程及成品部件的机械强度和表面质量，同时成品的孔隙度也是评估其性能的关键参数之一，因此相关的孔隙度表征尤为重要。[b][b]孔隙度表征的重要性[/b][/b]孔隙度（porosity）是表征部件或粉体致密程度的指标，为材料中孔隙的体积占总体积的百分比。在增材制造过程中，成品的孔隙度与致密度密切相关，呈反比关系，若部件的孔隙越多，则致密度越低，同时机械强度也越低，在受力环境下越容易出现疲劳或裂纹。因此针对不同应用领域和性能特点的产品，需要精准调控孔隙度以满足实际应用需求。例如在航天航空和电力等领域，由于环境较为极端，相关产品通常需要承受较高的疲劳应力，有些部件的致密度需达到99%以上，由此需要成品具有较低的孔隙度。而在生物医疗领域，如人工骨骼植入体，考虑到生物相容性及复杂的生物环境，植入体需要与较高孔隙度的周围骨组织相匹配。适宜的孔隙度可为细胞提供合适的增殖空间，以及减少应力屏蔽效应并促进骨长入和骨整合，否则易出现骨吸收和植入体松动等问题[1]。同时植入体还需具备良好的生物力学性能，而高力学性能往往和高孔隙度之间有所冲突，这就对精确控制植入体的孔隙度提出了很高要求。成品孔隙度及相关性能往往与粉体孔隙度息息相关，因此精确调控原料粉体的孔隙度也是质量控制中非常重要的一环。一方面，原料粉体的孔隙度会影响其流动性，进而影响送粉稳定性及铺粉均匀性；另一方面，原料粉体的孔隙度会影响增材制造过程中的烧结动力学及最终产品的表面光洁度、孔隙度及机械强度。通常，孔隙度低的粉体成型后部件致密度高，表面光洁度更好。有研究表明，在如粉末床熔融（PBF）这类增材制造工艺中，由于其较快的凝固速率和较高的粉体孔隙度，易造成制件内部产生常见的球形气孔及其它裂纹和孔隙等各类加工缺陷，并且一些缺陷在经过后续热处理等工艺后也难以消除，对成型部件的力学性能带来严重影响[2]。此外，增材制造工艺中常见的球化现象易使成型表面非常粗糙并产生大量球间孔隙，而调节粉体孔隙度也有利于改善此现象，获得致密度和力学性能更好的成品。因此，为了减少相关加工缺陷，表征和调控粉体的孔隙度必不可少。综上可知，了解和掌控原料粉体及成品的孔隙度参数，有利于更好地掌握增材制造的整个过程，对于确保生产过程的高效进行和最终成品的优异性能非常重要。[b][b]孔隙度表征方法及仪器[/b][/b]（1）压汞法压汞法是测量粉体和成型产品孔隙度特性常用的方法，可测得样品中与外界连通的开孔体积占总体积的百分比。压汞法的原理是基于汞对大多数固体材料不润湿，界面张力会抵抗汞进入孔中，要使得汞进入材料的开孔中则需要施加外部压力（如图1所示），并且汞压入的孔半径与所受外压成反比，外压越大，则汞能进入的孔半径越小。压汞法分析技术就是在精确控制的压力下将汞压入材料的多孔结构中，具有快速、高分辨率及分析范围广等优点。除了可测得孔隙度外，压汞法表征还可获得样品的众多特性，例如：孔径分布、总孔体积、总孔比表面积、中值孔径等等。麦克仪器的AutoPore系列[b]全自动压汞仪[/b]（如图2所示）可用于测量增材制造行业原料粉体及成品部件的孔隙度。仪器可测量样品在低至3nm的介孔及大孔范围内的孔隙度和孔径信息。测试可采用快速扫描、时间或速率平衡等不同的模式进行，并且测试分辨率高，进汞体积可精确至0.1μL。 [/size][align=center][size=18px] [/size][/align][align=center][size=18px][img=,400,291]http://img5.app17.com/EditImg/20200821/637336024645350226.png[/img][/size][/align][size=18px] 图1 汞压入孔中的示意图 [img=,173,371]http://img5.app17.com/EditImg/20200821/637336024759854427.png[/img] 图2 AutoPore系列[b]全自动压汞仪[/b] （2）密度计算法除了压汞法外，结合材料的骨架密度和包裹密度也可算得孔隙度。麦克仪器具有AccuPyc系列气体置换法密度仪（如图3所示）和GeoPyc系列包裹密度分析仪（如图4所示），将两款仪器连用可以直接算出孔隙度。AccuPyc系列[b]密度仪[/b]采用气体置换法，常用惰性气体如氦气或氮气作为置换介质取代材料的孔隙体积，根据理想气体定律PV=nRT确定样品体积，并结合样品质量算得骨架密度。由于气体分子尺寸比较小，置换气体能够进入相比于样品体积来说非常微小的开口孔隙，对于尤其是增材制造用的这类孔隙度较低的粉体，采用气体置换法测得的骨架密度结果精确度非常高，比传统的阿基米德浸液法更准确，重复性更好。GeoPyc系列[b]包裹密度分析仪[/b]采用独特的替代测试技术，使用一种具备高度流动性的微小刚性球状准流体物质作为替代介质，其在检测过程中紧密覆盖在材料外表面并填充材料间隙，可精确测出样品的包裹体积并算得密度。这两种仪器均为无损检测，能够精确高效地评估原料粉体和成品的孔隙度。 [img=,250,250]http://img5.app17.com/EditImg/20200615/637278273241573999.jpg[/img]图3 AccuPyc系列 气体置换法[b]密度仪[/b] [img=,250,167]http://img5.app17.com/EditImg/20200615/637278274474444164.png[/img]图4 GeoPyc系列[b]包裹密度分析仪 [b]增材制造的孔隙度测试案例[/b][/b]以下以某种采用增材制造工艺获得的镁锌锆合金医疗功能部件为例，采用压汞法对样品进行了孔隙度测试，并分析了其孔径分布，结果如图5所示[3]。该样品通过压汞仪测得的孔隙度为29%，与由阿基米德法测得的表观孔隙度值相吻合。此外，从压汞法给出的孔径分布结果可以看出该部件在不同尺寸范围内的孔隙特征。 [img=,500,383]http://img5.app17.com/EditImg/20200821/637336025783996226.png[/img]图5 采用AutoPore系列[b]压汞仪[/b]对某医疗部件进行孔隙度及孔径分布测试的结果[3][b][b]总结[/b][/b]在增材制造工艺中，材料孔隙度的表征具有十分重要的意义。研究和掌握原料粉体及最终成品的孔隙度对于减少部件内部缺陷，提升加工效率以及获得高质量成品至关重要。麦克仪器可提供一系列用于增材制造行业中表征孔隙度的仪器，AutoPore系列全自动压汞仪可快速高精度地测得原料粉体及成品的孔隙度，此外，还可以将AccuPyc系列气体置换法密度仪与GeoPyc系列包裹密度分析仪连用来测得孔隙度。利用这些仪器可为增材制造行业的孔隙度表征提供精确高效的测试结果，由此更好的筛选原料粉体，优化增材制造工艺以及评估成品性能。 [b][b]参考文献[/b][/b][/size][size=18px]【1】Karageorgiou V, Kaplan D L. Porosity of 3D biomaterial scaffolds and osteogenesis[J]. Biomaterials, 2005, 26(27): 5474-5491.【2】Tammas-Williams S, Zhao H, Léonard F, et al. XCT analysis of the influence of melt strategies on defect population in Ti-6Al-4V components manufactured by Selective Electron Beam Melting[J]. Materials Characterization, 2015: 47-61.【3】Salehi M, Maleksaeedi S, Sapari M A B, et al. Additive manufacturing of magnesium–zinc–zirconium (ZK) alloys via capillary-mediated binderless three-dimensional printing[J]. Materials & Design, 2019, 169.[b][font=等线] [/font][/b][/size][size=18px][b][font=等线][/font][/b][/size][font=等线][font=arial, helvetica, sans-serif][size=16px]关于麦克仪器公司[/size][/font][font=arial, helvetica, sans-serif][size=16px]麦克仪器公司是专业提供表征颗粒，粉体和多孔材料的物理性能，化学活性和流动性的高性能设备的全球领先的生产商。我们的技术包括：比重密度法、吸附、动态化学吸附、颗粒大小和形状、压汞孔隙度测定、粉末流变学和催化剂活性测试。公司在美国、英国和西班牙设有研发和生产基地，并在美洲、欧洲和亚洲设有直销和服务业务。麦克仪器是创新性的公司，产品是著名的政府和学术机构的10,000多个实验室的首选仪器。我们拥有世界一流的科学家和积极响应的支持团队，通过将Micromeritics技术应用于客户的需求，帮助客户获得成功。更多信息，请访问: [/size][/font][url=http://www.micromeritics.com.cn/][color=#0000ff][font=arial, helvetica, sans-serif]www.micromeritics.com.cn [/font][/color][/url][/font]

据同花顺数据显示，[back=#ffc000]截至1月17日，2024年已有超15家上市企业新增“智能制造”概念[/back]，分别为罗普斯金、博隆技术、海螺新材、佳电股份、联诚精密、富佳股份、雅博股份、福能东方、尚品宅配、泰瑞机器、逸飞激光、蓝海华腾、开创电气、远东传动、凯龙股份和华设集团。[align=center][img]https://img1.17img.cn/17img/images/202401/uepic/2d3ccb25-c107-4bbc-aa3a-954f2dc47e3f.jpg[/img][/align][b]1月17日，罗普斯金新增“智能制造”概念。[/b]罗普斯金是一家专业研发、生产和销售铝合金型材的综合性大型外商投资企业，主要研发、生产、销售建筑门窗类、装饰类、工业型材类、特种铝合金型材类等产品。1月15日晚间罗普斯金发布的业绩预告显示，预计2023年归属于上市公司股东的净利润3900万元~5850万元，同比扭亏为盈，主要原因为：主要系铝材业务销量有所增长，及毛利率上涨，光伏铝合金边框业务量增长，智能化施工与检测业绩持续增长。[b]1月16日，博隆技术新增“智能制造”概念。[/b]根据公司招股书显示，博隆技术根据用户的需求和物料的特性定制单一或综合解决方案，并提供自动化、智能化操作的系统产品， 使用户生产过程中的物料处理实现高能效、低损耗、经济环保的目标，助力下游客户提升“数字化、智能化、绿色化” 发展水平。博隆技术发布的2023年度业绩预告显示，预计2023年全年归属于母公司股东的净利润将在2.8亿至3.5亿元人民币之间，同比增长18.33%至47.92%。[b]1月15日，佳电股份新增“智能制造”概念。[/b]佳木斯电机股份有限公司(简称“佳电股份”)隶属于哈尔滨电气集团有限公司，智能制造网从佳电股份了解到，公司以“智能制造‘5+1’”项目为依托，不断推进数字化、智能化、网络化建设。公司产品广泛应用于机械煤炭、石油化工、起重冶金、航空航天等行业以及核电站、卫星发射、三峡工程、南极长城站等国家重点建设项目。[b]1月15日，联诚精密新增“智能制造”概念。[/b]入选理由是，公司在去年10月25日互动易表示：公司拥有高效静压智能制造生产线和10余条智能制造自动化加工生产线，公司数字化改造项目获得了省市两级政府的表彰和支持。公司正在投资建设MES系统，建成后将实现生产流程数字化管理。联诚精密基础业务专注于铸铁、铝合金等精密铸件的开发设计、生产和销售，拥有几百台高端机械加工设备及十几条世界先进的自动化铸造生产线，在生产工艺和质量管理方面潜?研究，已形成了包括模具制造、铸造、精密加工和表面处理及最终性能检测等完整的零部件制造体系，探索出联诚独特的跨行业、多客户、多品种、定制式商业模式。[b]1月15日，海螺新材新增“智能制造”概念。[/b]海螺(安徽)节能环保新材料股份有限公司(简称“海螺新材”)是国内塑钢型材行业企业，主营业务涵盖高中档塑钢及铝合金型材、SCR脱硝催化剂、太阳能光伏铝材、生态家居等节能环保产品的生产、销售和科研开发。此次新增“智能制造”概念的入选理由是，公司在2023年8月8日互动易回复：公司一直重视数字化转型升级，探索传统产业和数字技术的深度融合，搭建了行业首个工业互联网平台。[b]1月12日，永艺股份新增“鸿蒙概念”[/b]。入选理由显示，永艺股份首款智能办公椅已接入华为鸿蒙、涂鸦智能等主流智能生态，后续将有更多产品对接上述智联平台，逐渐形成永艺智能桌椅产品矩阵。永艺股份专注于坐健康解决方案，是一家集创新研发、智能制造和全球销售为一体的国家高新技术企业，公司产品涵盖办公椅、升降桌、按摩椅、沙发等坐健康系统产业。[b]1月10日，雅博股份新增“智能制造”概念。[/b]入选理由是：雅博股份自主打造的数字孪生平台，并将 BIM、物联网、工厂运维和数字孪生的理念相结合，围绕 BIM 在施工管理、进度管理、资产管理、运营管理等方面的应用，建立了工程资产全生命周期的动态管理系统等。雅博股份是新能源BIPV行业和金属屋(墙)面围护系统行业的优质企业，业务领域包含新能源、金属屋面围护系统、钢结构和智慧建筑。[b]1月10日，福能东方新增“智能制造”概念。[/b]福能东方常规概念包括新能源汽车、机器人概念、锂电池、工业4.0等，入选“智能制造”概念的理由是：公司的主营业务是锂电池自动化生产设备、3C及非标自动化设备等高端智能制造装备的研发、生产、销售、服务。[b]1月9日，尚品宅配新增“智能制造”概念。[/b]尚品宅配是一家强调依托高科技创新性迅速发展的家具企业，入选理由是：2023年半年报：公司利用领先的柔性生产线、自主研发机器人和自动化立体仓智能物流，打造工业4.0智能制造工厂，将“人指挥机器干活”变成了“机器指挥机器干活”。[b]1月9日，逸飞激光新增“智能制造”概念。[/b]逸飞激光是一家专业从事精密激光加工智能装备研发、生产和销售的国家高新技术企业。公司主要产品包括锂电池电芯自动装配线、模组/PACK自动装配线等自动化产线及各类精密激光加工智能化专机，广泛应用于新能源动力、储能、消费电池的电芯、模组、PACK制造领域，同时也应用于家电厨卫、装配式建筑、新能源汽车零部件等领域。[b]1月9日，泰瑞机器新增“智能制造”概念。[/b]入选理由是，在今年1月3日互动易：泰瑞机器桐乡工厂“泰瑞大型一体化智能制造基地项目(年产29台压铸机、5000台注塑高端装备建设项目)”正在建设中。迄今为止，泰瑞机器的产品已涉及汽车零部件、家用电器、建筑、包装、医疗、电子等多个行业。[b]1月8日，开创电气新增“智能制造”概念。[/b]从开创电气了解到，公司是一家国家高新技术企业，专业生产煤矿智能防爆组合电控、智慧矿山集控系统等矿山智能装备，公司集研发、制造、销售和服务于一体。入选“智能制造”概念理由是：2023年6月26日互动易：开创电气通过引进工业机器人、自动检测设施等，对设备及产线智能化改造。运用PLM、ERP、MES等信息系统和技术对企业研发、生产等业务环节实施数字化改造。公司对智能制造技术始终保持关注，不断提升企业智能制造水平。[b]1月8日，蓝海华腾新增“智能制造”概念。[/b]公司目前专注于电机控制器和工业自动化控制产品以及基于产品的相关服务和技术，致力于中低压变频器、伺服驱动器、电动汽车电机控制器、DCDC电源、电梯一体化产品及电梯控制系统、逆变器等电力电子产品的研发、制造、销售和服务等，成为国际领先的新能源与自动化产品及解决方案供应商而不懈奋斗！[b]1月4日，凯龙股份新增“智能制造”概念。[/b]据同花顺数据显示，公司计划增加更多生产线的智能化建造及改造力度。湖北凯龙化工集团股份有限公司(简称“凯龙股份”)是全国民爆行业内为数不多具有完整产业链的企业，目前生产经营业务主要有民爆器材板块、化工产品板块、矿业产品板块、工程爆破服务板块和现代物流板块等五大板块。[b]1月4日，华设集团新增“智能制造”概念。[/b]入选理由是，华设集团2023年9月20日在投资者互动平台表示，公司现有5条全国领先的智能化生产线，以及“三端一云”智慧工厂系统，年产能15万m3，可生产各类箱梁、墩柱、空心板等高性能混凝土预制产品(HQPC)等。[来源：智能制造网][align=right][/align]