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3D打印技能可否助力水处置惩罚垫片和膜的研发发表于: 2022-07-12 00:56
本文摘要:3D打印技能可否助力水处置惩罚垫片和膜的研发 江苏激光同盟导读: 在已往的十年中,3D打印/增材制造(AM)技能在很多方面都取得了长足的进步,比方打印辨别率、速度和成本。由于增材制造的奇特优势,用于水处置惩罚的膜取得了重大冲破。 出格是3D打印在质料和原型设计等各个方面的高度自由度有助于制造出创新的垫片和隔阂。可是,关于3D打印(尤其是膜)的可行性的报道彼此抵牾。

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3D打印技能可否助力水处置惩罚垫片和膜的研发 江苏激光同盟导读: 在已往的十年中,3D打印/增材制造(AM)技能在很多方面都取得了长足的进步,比方打印辨别率、速度和成本。由于增材制造的奇特优势,用于水处置惩罚的膜取得了重大冲破。

出格是3D打印在质料和原型设计等各个方面的高度自由度有助于制造出创新的垫片和隔阂。可是,关于3D打印(尤其是膜)的可行性的报道彼此抵牾。

一些研究小组指出,当今的技能局限性使得3D打印膜无法实现,可是其他研究小组则表白,通过乐成制造原型可以做到这一点。来自南洋理工大学(NTU)和新加坡科技设计大学(SUTD)的研究人员回首了近期在膜基水处置惩罚中的3D打印的积极和不足以及彼此抵牾的报道。

他们的研究论文标题为"A review on spacers and membranes: Conventional or hybrid additive manufacturing?"已在Water Research中颁发。Graphical abstract图形摘要 在已往的十年中,将AM与水处置惩罚相关联的出书物数量大大增加,如图1所示。据Web of Science称,该出书物于2011年开始刊行1本,到2019年已增至30多种。

到2020年上半年,共有117种出书物,个中约27%专注于3D打印距离物和25%专注于3D打印膜。其余研究主要涉及3D打印水质传感器、化学物质输送系统、污染物接收剂、电阴极等。展开全文 图1. 与“ 3D打印/增材制造”相关的出书物数量 和Web of Science数据库中的“水处置惩罚”。

2020年的数据截止到2020年6月。“其他”种别包括3D打印水质传感器、化学物质输送系统、污染物接收剂、电阴极等的作品。

在很多最新研究中,AM已用于制造膜片垫片。通例的膜片距离件具有通过热挤压方法制造的简朴的网眼设计。只管曾实验优化传统的垫片(Da Costa等,1993,1994; Liu等,2017; Schwinge等,2004),但由于碰到了网状设计自己固有的微小死区,因此碰到了瓶颈(Schwinge等,2000)。研究人员已开始研究新的创新垫片设计以降服这一障碍,但在实际机能评估中凡是会碰到坚苦。

大大都研究只能依靠计较流体动力学(CFD)(Balster等,2006; Li等,2016; Liu等,2015; Schwinge等,2000; Xie等,2014)。难以制造具有庞大设计的垫片,这超出了传统热挤压的能力(Lee等人,2016b)。AM是膜隔片的一项重大冲破,因为其设计的高度自由度使制造庞大的隔片原型成为可能(Ali等人,2019; Castillo等人,2019; Kerdi等人,2018; Siddiqui等人, 2016; Sreedhar等人,2018; Thomas等人,2019; Yanar等人,2020)。

这些原型可以轻松集成到过滤池中,以精确模拟膜模块内的过滤条件,从而举行更精确的评估。需要对这些3D打印的垫片举行严格审查,以阐发其潜力和缺点。

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除了垫片外,AM在膜制造工艺中也逐渐浮出水面。传统上,由于高温要求,陶瓷膜的制造凡是很昂贵(Lee and Li,2017)。

另一方面,制造聚合物膜需要准确节制很多因素,比方涂料/情况温度和聚合物/溶剂/反溶剂性质和浓度。在开放情况中,这凡是具有挑战性,因为这些参数的微小变化会极大地影响最终膜的机能。为了寻找更具成本效益和一致的技能,研究人员接纳了AM来制造膜。

AM之所以具有吸引力,是因为某些AM技能不必必然要依靠高温来制造最终产物。从理论上讲,AM可以很好地替代烧结和相转化工艺。

然而,实际的3D打印膜原型面对着现有3D打印机的打印辨别率限制,这导致3D打印在水处置惩罚行业中的可行性呈现必然水平的杂乱。别的,由于体积小和打印速度慢等限制,扩大出产范围对于3D打印也是一个挑战。有须要不仅从机能角度并且从AM角度严格审查3D打印膜上的这些事情,以理解为什么会呈现这种差异。通过将作品分为通例AM(直接和间接)和混淆AM,可以清楚地看到混淆AM与通例AM有何差别,并但愿在以后的出书物中AM在膜制造中的感化将有更多共鸣。

鉴于AM的迅速普及,一些研究人员将2D打印或其他不切合尺度历程的逐层制造工艺错误分类为3D打印。对于此类而言,也许更合适的术语应该是逐层组装技能(Chua和Leong 2017)或混淆AM。

混淆AM可以简朴地描述为多步骤制造历程,个中3D打印与其他制造方法联合使用以实现最终所需的布局。通例增材制造 自从AM开始以来,直接AM和间接AM就被归类为通例AM,并已被用于制造原型(Do等人,2018年; Hernández‐Córdova等人,2016年; Taboas等人,2003年)。直接AM和间接AM之间的区别是直接AM直接从印刷步骤制造最终原型,而间接AM则制造最终原型的底模。

因此,需要用于间接AM的附加成型步骤以实现最终产物。间接增材制造具有更大的质料机动性的优势,因为其机能不适合3D打印的质料(即低粘度)可以改用成型件来制造(Van Damme等人2020)。在传统的AM中,文件筹办阶段至关重要,因为设计的CAD模型应包罗使原型起感化的功效。

在垫片的环境下,垫片的CAD模型应具有细丝,这些细丝会改变流道内的流型。在膜的环境下,膜的CAD模型应具有执行过滤所需的微观孔。在打印阶段,选择打印机,使其具有足够的打印辨别率,以按照设计的CAD模型制造原型。

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打印质量取决于打印原型与CAD模型的偏差(Lopez等,2018)。通例增材制造中的后处置惩罚应仅涉及简朴的支撑物去除或抛光办法。混淆增材制造 混淆AM凡是与金属印刷相关联,个中将两个或两个以上已成立的制造历程(凡是是增材和减材)一起使用以实现最终所需的设计,外貌光洁度和机械机能(Strong等人,2018 ; Zhu等人,2013年)。

对混淆AM举行了具体的经济研究,它突出了混淆AM在整个出产历程中节流出产成本和制造时间的潜力(Manogharan et al,2016)。对于基于膜的水处置惩罚,值得注意的是,有几项研究接纳了混淆AM的观点来制造陶瓷膜和聚合物膜。在本文中,研究人员将混淆AM界说为将AM与其他已成立的制造历程联合使用以制造具有功效特征的原型的制造历程。

按照膜的类型,AM已与相转化、浸涂、热固化,热烧结和脱脂等工艺一起使用以制造原型。今天接纳混淆AM而不是直接/间接AM的主要原因是由于打印机的打印辨别率有限。大大都3D打印机只能制造凌驾几百微米的功效。可是,膜的孔径要求在亚微米级别。

因此,仅依靠AM工艺来直接制造功效性膜极具挑战性。图9. 已往研究中的各类3D打印距离物。▲图解:(a)穿孔垫片; (b)蜂窝状垫片;(c)柱状垫片(d)距离物上的小山、海浪和穿孔图案(e)各类TPMS垫片; (f)扭曲带,改性长丝和多层垫片;(g)静态混淆器垫片;(h)梯子,人字形和螺旋形垫片;(i)Turbospacer。

3D打印具有极大的设计自由度,可以制造庞大而创新的垫片,而这在以前是传统的热挤压方法无法实现的。这些断绝物可以或许减少流道内的死区数量,并有助于减轻有害的膜污染问题。一些垫片设计(比方螺旋垫片,涡轮垫片和柱垫片)甚至可以或许减少能耗。

本文还提出了有关3D打印膜可行性的有趣概念。孔径小于1μm的微滤膜(MF)以前是通过通例方法(比方烧结或相转化)制造的。然而,对于3D打印,迄今为止,据说双光子聚合打印技能具有约1μm的最佳打印辨别率。从理论上讲,用3D打印法制造微滤(MF)膜应该是不行能的。

因此,当越来越多的出书物报道了在已往十年中乐成制造3D打印MF膜时,它在水处置惩罚行业中引起了许多杂乱。为相识决这种杂乱,本文严格阐发了这些3D打印膜,出格是关于3D打印在整个制造历程中的感化。所以先容了混淆增材制造,即将3D打印与其他已成立的制造方法联合使用的历程。

它显示了3D打印与其他已成立的历程一起使用时,只管其打印辨别率不足,但如何仍然可以成为制造膜的强大东西。南大首席研究员副传授Chong Tzyy Haur暗示,3D打印正在从单机工艺慢慢成长到多集成工艺。水处置惩罚行业的应用不停增长,尤其是基于膜的技能。估计将来的重点将从尝试室范围的原型建造转向大型制造商。

SUTD的合著者Chua Chee Kai传授解释说,降服范围扩大和质料限制将是一个挑战,可是今天已经举行了连续的研究事情。未来,甚至可能有可能接纳4D打印技能制造出可以或许适应周围情况的智能垫片和薄膜。本文来历:Jing Wee Koo et al, A review on spacers and membranes: Conventional or hybrid additive manufacturing?, Water Research (2020). DOI: 10.1016/j.watres.2020.116497返回,检察更多。


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