《储能材料与器件智能制造技术》课件-2.3.3 3D打印技术

《储能材料与器件智能制造技术》3D打印技术当传统机床的轰鸣声逐渐被数字化制造的精密运作声取代，3D打印技术正以“魔法般”的创造力，将虚拟数字模型转化为真实立体物件。从航空航天领域突破物理极限的异形结构，到医疗行业贴合人体骨骼的定制化植入物，这项技术如同打开了潘多拉魔盒，释放出前所未有的制造潜能。据Statista预测，到2026年全球3D打印市场规模将突破500亿美元，它早已不再是实验室里的小众探索，而是成为撬动制造业变革的核心力量，引领人类迈向“所想即所得”的智造新纪元。3D打印技术的概念增材制造（AdditiveManufacturing，AM），又称3D打印，是融合了计算机辅助设计、材料加工与成形等技术的一种新型制造方式。它以数字模型文件为基础，通过软件结合数控系统，将特定的金属材料、非金属材料或医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品。图2-24为常见的3D打印机样式。3D打印技术的原理3D打印技术基于离散-堆积原理，将复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加。3D打印又称增材制造，核心原理是“分层制造、逐层叠加”。先通过软件将三维模型切片成多层二维截面，再由打印机按截面数据，用塑料、金属、树脂等材料，以熔融沉积、光固化、粉末床熔融等方式，从下至上逐层堆积，最终将虚拟模型转化为实体三维物件，区别于传统“减材制造”的切削去除方式。3D打印设备类型光固化打印机利用紫外光在液态光敏树脂表面进行扫描，实现快速成型。选择性激光烧结打印机采用高功率激光烧结粉末材料，使其逐层融合成形。熔融沉积打印机通过加热喷头将塑性纤维材料熔融后挤出，沉积并固化。黏结剂喷射打印机通过类似喷墨打印的喷头喷射黏结剂，将粉末材料逐层粘结成形。3D打印材料材料是推动3D打印技术进步的关键之一。目前常用材料包括金属粉末、光敏树脂、热塑性塑料、高分子聚合物、石膏、纸张、生物活性高分子等。随着技术发展，复合材料、功能梯度材料、智能材料、纳米材料等新型材料也成为研究重点。图2-26展示了一种3D打印材料。3D打印优势自由成形无需刀具或模具即可制造复杂零部件，灵活性高。制作效率高工艺流程短、自动化程度高，可实现现场快速制造。数字化驱动各种增材制造工艺均由三维数据直接或间接驱动。累加式成型方式逐层堆积打印材料，具备良好的复制性与一致性。3D打印技术在储能电池生产中的应用复杂结构制造：可制造具有复杂几何结构的组件，如多孔电极、微通道隔膜、一体化电池架构，有助于提升能量密度和循环寿命。孔隙设计控制：精确控制孔隙尺寸和分布，优化离子传输路径，降低扩散阻力，提高整体性能。电池结构优化3D打印技术在储能电池生产中的应用高能量密度与功率密度：通过结构与材料优化，显著提升电池的能量与功率密度。例如，SakuuCorporation开发的3D打印电池，其能量密度为传统锂电池的两倍。快速充电与高稳定性：采用多孔隔膜与点阵电极，可加快锂离子传输速度，提升充电效率与循环稳定性。性能提升未来发展趋势材料创新：多功能打印材料开发：研发“高导电、高离子迁移率、易打印”的复合墨水（如“活性物质-导电剂-粘结剂”一体化电极墨水、“自愈合型”固态电解质墨水），同时降低材料成本（如利用工业副产物制备打印粉末）。工艺升级：高速化与规模化：开发“阵列式多喷嘴打印”“辊压-3D打印复合工艺”，将打印速度提升10-100倍；探索“连续3D打印技术”（如连续液体界面生产CLIP），实现电极、电解质的连续成型，适配量产需求。未来发展趋势设备集成：全流程一体化装备：研发“材料制备-3D打印-固化/烧结-性能检测”一体化设备，减少中间环节，提升生产效率；同时开发低成本高精度设备（如基于紫外LED的SLA设备），降低设备投入门槛。智能化：AI驱动的工艺优化：利用AI算法优化打印参数（如喷嘴温度、挤出速度、激光功率），实时补偿打印过程中的偏差，提升部件性能一致性；结合数字孪生技术，模拟电池结构与性能，提前优化打印方案。3D打印技术凭借定制化、复杂成型等优势，为储能电池生产带来新方向。在电极制造上，通过构建多孔结构，缩短离子扩散路径，提升电池充放电速率与循环寿命；在电解质成型方面，解决界面接触不良问题，提高离子传输效率与安全性；还能实现电池异形化、小型化设计，满足多元场景需求，并助力电池回收修复，降低全生命周期成本。FDM、DIW、SLS等不同3D打印技术适配不同电池部件，但目前仍面临材料种类有限、打印效率低、成本高昂