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3D打印技术能否助力水处理垫片和膜的研发

作者:admin发布时间:2020-11-11分类:产业动态浏览:13评论:0


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原标题:3D打印技术能否助力水处理垫片和膜的研发

江苏激光联盟导读:

在过去的十年中,3D打印/增材制造(AM)技术在许多方面都取得了长足的进步,例如打印分辨率、速度和成本。由于增材制造的独特优势,用于水处理的膜取得了重大突破。特别是3D打印在材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膜。但是,关于3D打印(尤其是膜)的可行性的报道相互矛盾。一些研究小组指出,当今的技术局限性使得3D打印膜无法实现,但是其他研究小组则表明,通过成功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)的研究人员回顾了近期在膜基水处理中的3D打印的努力和不足以及相互矛盾的报道。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中发表。

3D打印技术能否助力水处理垫片和膜的研发

Graphical abstract图形摘要

在过去的十年中,将AM与水处理相关联的出版物数量大大增加,如图1所示。据Web of Science称,该出版物于2011年开始发行1本,到2019年已增至30多种。到2020年上半年,共有117种出版物,其中约27%专注于3D打印间隔物和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、污染物吸收剂、电阴极等。

3D打印技术能否助力水处理垫片和膜的研发

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图1. 与“ 3D打印/增材制造”相关的出版物数量

和Web of Science数据库中的“水处理”。2020年的数据截止到2020年6月。“其他”类别包括3D打印水质传感器、化学物质输送系统、污染物吸收剂、电阴极等的作品。

在许多最新研究中,AM已用于制造膜片垫片。常规的膜片间隔件具有通过热挤压方法制造的简单的网眼设计。尽管曾尝试优化传统的垫片(Da Costa等,1993,1994; Liu等,2017; Schwinge等,2004),但由于遇到了网状设计本身固有的微小死区,因此遇到了瓶颈(Schwinge等,2000)。研究人员已开始研究新的创新垫片设计以克服这一障碍,但在实际性能评估中通常会遇到困难。大多数研究只能依靠计算流体动力学(CFD)(Balster等,2006; Li等,2016; Liu等,2015; Schwinge等,2000; Xie等,2014)。难以制造具有复杂设计的垫片,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突破,因为其设计的高度自由度使制造复杂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,以准确模拟膜模块内的过滤条件,从而进行更准确的评估。需要对这些3D打印的垫片进行严格审查,以分析其潜力和缺点。

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,陶瓷膜的制造通常很昂贵(Lee and Li,2017)。另一方面,制造聚合物膜需要精确控制许多因素,例如涂料/环境温度和聚合物/溶剂/反溶剂性质和浓度。在开放环境中,这通常具有挑战性,因为这些参数的微小变化会极大地影响最终膜的性能。为了寻找更具成本效益和一致的技术,研究人员采用了AM来制造膜。AM之所以具有吸引力,是因为某些AM技术不必一定要依靠高温来制造最终产品。

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打印膜原型面临着现有3D打印机的打印分辨率限制,这导致3D打印在水处理行业中的可行性出现一定程度的混乱。此外,由于体积小和打印速度慢等限制,扩大生产规模对于3D打印也是一个挑战。有必要不仅从性能角度而且从AM角度严格审查3D打印膜上的这些工作,以理解为什么会出现这种差异。通过将作品分为常规AM(直接和间接)和混合AM,可以清楚地看到混合AM与常规AM有何不同,并希望在以后的出版物中AM在膜制造中的作用将有更多共识。

鉴于AM的迅速普及,一些研究人员将2D打印或其他不符合标准过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术(Chua和Leong 2017)或混合AM。混合AM可以简单地描述为多步骤制造过程,其中3D打印与其他制造方法结合使用以实现最终所需的结构。

常规增材制造

自从AM开始以来,直接AM和间接AM就被归类为常规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品。间接增材制造具有更大的材料灵活性的优势,因为其性能不适合3D打印的材料(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,文件准备阶段至关重要,因为设计的CAD模型应包含使原型起作用的功能。在垫片的情况下,垫片的CAD模型应具有细丝,这些细丝会改变流道内的流型。在膜的情况下,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分辨率,以根据设计的CAD模型制造原型。打印质量取决于打印原型与CAD模型的偏差(Lopez等,2018)。常规增材制造中的后处理应仅涉及简单的支撑物去除或抛光措施。

混合增材制造

混合AM通常与金属印刷相关联,其中将两个或两个以上已建立的制造过程(通常是增材和减材)一起使用以实现最终所需的设计,表面光洁度和机械性能(Strong等人,2018 ; Zhu等人,2013年)。对混合AM进行了详细的经济研究,它突出了混合AM在整个生产过程中节省生产成本和制造时间的潜力(Manogharan et al,2016)。

对于基于膜的水处理,值得注意的是,有几项研究采用了混合AM的概念来制造陶瓷膜和聚合物膜。在本文中,研究人员将混合AM定义为将AM与其他已建立的制造过程结合使用以制造具有功能特征的原型的制造过程。根据膜的类型,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。今天采用混合AM而不是直接/间接AM的主要原因是由于打印机的打印分辨率有限。大多数3D打印机只能制造超过几百微米的功能。但是,膜的孔径要求在亚微米级别。因此,仅依靠AM工艺来直接制造功能性膜极具挑战性。

3D打印技术能否助力水处理垫片和膜的研发

图9. 过去研究中的各种3D打印间隔物。

▲图解:(a)穿孔垫片; (b)蜂窝状垫片;(c)柱状垫片(d)间隔物上的小山、波浪和穿孔图案(e)各种TPMS垫片; (f)扭曲带,改性长丝和多层垫片;(g)静态混合器垫片;(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,可以制造复杂而创新的垫片,而这在以前是传统的热挤压方法无法实现的。这些隔离物能够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(例如螺旋垫片,涡轮垫片和柱垫片)甚至能够减少能耗。

本文还提出了有关3D打印膜可行性的有趣观点。孔径小于1μm的微滤膜(MF)以前是通过常规方法(例如烧结或相转化)制造的。然而,对于3D打印,迄今为止,据说双光子聚合打印技术具有约1μm的最佳打印分辨率。从理论上讲,用3D打印法制造微滤(MF)膜应该是不可能的。因此,当越来越多的出版物报道了在过去十年中成功制造3D打印MF膜时,它在水处理行业中引起了很多混乱。

为了解决这种混乱,本文严格分析了这些3D打印膜,特别是关于3D打印在整个制造过程中的作用。所以介绍了混合增材制造,即将3D打印与其他已建立的制造方法结合使用的过程。它显示了3D打印与其他已建立的过程一起使用时,尽管其打印分辨率不足,但如何仍然可以成为制造膜的强大工具。

南大首席研究员副教授Chong Tzyy Haur表示,3D打印正在从单机工艺逐步发展到多集成工艺。水处理行业的应用不断增长,尤其是基于膜的技术。预计未来的重点将从实验室规模的原型制作转向大型制造商。

SUTD的合著者Chua Chee Kai教授解释说,克服规模扩大和材料限制将是一个挑战,但是今天已经进行了持续的研究工作。将来,甚至可能有可能采用4D打印技术制造出能够适应周围环境的智能垫片和薄膜。

本文来源: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

标签:制造垫片研究原型review出版物设计技术常规Water消息资讯增材分辨率


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