认识金属3D打印与金属3D打印材料

点击量:543 发布时间:2016-11-02 作者:状迈(上海)增材制造技术有限公司

3D打印是20世纪80年代出现的一项先进制造技术,并在近十多年来得到越来越多国家和产业界的重视。但是,3D打印技术却并未如很多人期望的那样,在短期内迅速发展起来,替代现有制造技术。导致这​种局面的原因,除了该技术本身的成熟度需要不断改进等因素外,另一个重要原因在于,3D打印需要的材料制备与现有材料有很大的不同。传统制造使用的原材料已经有成千上万种,而目前能够被用于3D打印的材料品种少,质量规格不齐全,严重地制约了3D打印行业的发展。20世纪90年代,国外开始出现金属3D打印技术,并开发出金属3D打印机和金属3D打印材料,这一技术的出现,突破了3D打印在金属应用领域的限制,使得3D打印进入了一个新的里程碑。近十年来,我国金属3D打印技术也获得了突破性进展,研发出具有自主知识产权的金属3D打印机和金属材料。

今天我们就一起认识一下金属3D打印。

什么是金属3D打印?

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金属3D打印是属于数字热加工的一项技术,目前制备金属的3D打印技术主要有:选区激光熔化/烧结(SLM/SLS)、电子束选区熔化(EBSM)、激光近净成形(LENS)等。与传统工艺相比,金属3D打印有直接成型,无需模具,可以实现个性化设计并制作复杂结构,高效、低消耗、低成本等优点。但是因为其是数字热加工,变形是无法消除的,变形量需要从工艺和经验上去控制,最后还要经过数控机床等技术的后期加工处理。

金属3D打印材料的应用

金属3D打印材料的应用领域相当广泛,例如,石化工程应用、航空航天、汽车制造、注塑模具、轻金属合金铸造、食品加工、医疗、造纸、电力工业、珠宝、时装等。

但是,因为金属3D打印材料本身的材料属性,其都有特定的应用领域范围,因此,金属3D打印材料选择的过程是一个权衡多个因素的过程。而且,3D打印金属不能仅仅凭借金属3D打印机的参数来衡定,每种金属材料都有适合自身特性的极限点,包括应用、功能、稳定性、耐久性、美观性、经济性都是设计师要考虑的因素。

金属3D打印材料的主要种类

现今,国内外金属3D打印机采用的金属粉末一般有:工具钢、马氏体钢、不锈钢、纯钛及钛合金、铝合金、镍基合金、铜基合金、钴铬合金等。

1.工具钢和马氏体钢

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以工具钢和马氏体钢为例,工具钢的适用性来源于其优异的硬度、耐磨性和抗形变能力,以及在高温下保持切削刃的能力。模具H13热作工具钢就是其中一种,能够承受不确定时间的工艺条件;马氏体钢,以马氏体300为例,又称“马氏体时效”钢,在时效过程中的高强度、韧性和尺寸稳定性都是众所周知的。他们与其他钢不同,因为他们是不含碳的,属于金属间化合物,通过丰富的镍、钴和钼的冶金反应硬化。由于高硬度和耐磨性,马氏体300才适用于许多模具的应用,例如,注塑模具、轻金属合金铸造、冲压和挤压等,同时,其也广泛应用于航空航天、高强度机身部件和赛车零部件。

   2.不锈钢

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不锈钢与碳钢不同,目前的铬含量不同,10.5%铬含量最低的钢合金,不锈钢不容易生锈腐蚀。目前,应用于金属3D打印的不锈钢主要有三种:奥氏体不锈钢316L、马氏体不锈钢15-5PH、马氏体不锈钢17-4PH。

奥氏体不锈钢316L,具有高强度和耐腐蚀性,可在很宽的温度范围下降到低温,可应用于航空航天、石化等多种工程应用,也可以用于食品加工和医疗等领域。

马氏体不锈钢15-5PH,又称马氏体时效(沉淀硬化)不锈钢,具有很高的强度、良好的韧性、耐腐蚀性,而且可以进一步的硬化,是无铁素体。目前,广泛应用于航空航天、石化、化工、食品加工、造纸和金属加工业。

马氏体不锈钢17-4PH,在高达315℃下仍具有高强度高韧性,而且耐腐蚀性超强,随着激光加工状态可以带来极佳的延展性。

3.合金

金属3D打印材料应用最为广泛的金属粉末合金主要有纯钛及钛合金、铝合金、镍基合金、钴铬合金、铜基合金等。

1)纯钛及钛合金

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目前应用于市场的纯钛,又称商业纯钛,分为1级和2级粉体,2级强于1级,对于大多数的应用同样具有耐腐蚀性。因为纯钛2级具有良好的生物相容性,因此在医疗行业具有广泛的应用前景。

钛是钛合金产业的关键。目前,应用于金属3D打印的钛合金主要是钛合金5级和钛合金23级,因为其优异的强度和韧性,结合耐腐蚀、低比重和生物相容性,所以在航空航天和汽车制造中具有非常理想的应用,而且,因为强度高、模量低、耐疲劳性强,应用于生产生物医学植入物。钛合金23级,纯度更高,是神级一样的牙科和医疗钛品级。

2)铝合金

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目前,应用于金属3D打印的铝合金主要有铝硅AlSi12和AlSi10Mg两种。铝硅12,是具有良好的热性能的轻质增材制造金属粉末,可应用于薄壁零件如换热器或其他汽车零部件,还可应用于航空航天及航空工业级的原型及生产零部件;硅/镁组合使铝合金更具强度和硬度,使其适用于薄壁以及复杂的几何形状的零件,尤其是在具有良好的热性能和低重量场合中。

3)镍基合金

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一般情况下,镍基合金都具有良好的抗拉伸、抗疲劳和抗热疲劳性能。目前,主要有Inconel 738、Hastelloy X、Inconel 625、Inconel 713、Inconel 718等。

Inconel 738具有良好的高温蠕变断裂强度,抗热腐蚀性是较低铬含量的超合金,可长期暴露于高达920-980℃的高温腐蚀性的环境中,适用于飞机发动机、燃气轮机。

Hastelloy X在高温下具有高强度和抗氧化性,在高达1200℃的环境中,也具有良好的延展性,目前,主要应用于航空航天技术中,例如燃气轮机部件和燃烧区组件如过渡管、燃烧器罐、喷杆、排气管、加力燃烧室等;而且还因为具有耐应力腐蚀开裂的性能,应用于工业炉、石油化工及化学过程工业中。

Inconel 625在高温约815℃的条件下依然具有良好的负载性能,而且耐腐蚀性强,广泛应用于航空航天、化工及电力工业中。

Inconel 713具有优异的抗热疲劳性能,以及在927℃的特殊断裂强度,适用于喷气发动机燃气轮机叶片。

Inconel 718是基于铁镍硬化的超合金,具有良好的耐腐蚀性及耐热、拉伸、疲劳、蠕变性,适用于各种高端应用,例如,飞机涡轮发动机和陆基涡轮机等。

4)钴铬合金

钴铬合金具有高强度、耐腐蚀性强、良好的生物相容性以及无磁性的性能,主要应用于外科植入物包括合金人工关节、膝关节和髋关节,同时其还可用于发动机部件以及时装、珠宝行业等。

5)铜基合金

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应用于市场的铜基合金,俗称青铜,具有良好的导热性和导电性,可以结合设计自由度,产生复杂的内部结构和冷却通道,适合冷却更有效的工具插入模具,如半导体器件,也可用于微型换热器,具有壁薄、形状复杂的特征。

金属3D打印发展存在哪些难点?

首先,3D打印虽然是一项自由结构制造的技术,但是,需要有很多加工方法来规避3D打印后处理的难题。需要使用传统制造业的数控机床加工技术,解决3D打印后处理过程中的不足。

第二,金属打印由于支撑问题,会导致后期零件无法加工。3D打印由于采用的是材料层层叠加的技术,生产过程中,某些部件部位由于重力原因可能出现变形,因此需要支撑材料。某些复杂构件的内腔等部位使用这些支撑材料成型后,支撑材料不易去除,是金属3D打印需要解决的一个重要问题。

第三,需要熟悉材料。金属材料种类繁多,不同的材料具有不同的属性,应用范围不同。以3D打印航空航天零部件为例,航空航天上使用的金属部件都是在极端环境下的,具有强抗腐蚀性、耐高温、金属强度高的特点,如果不熟悉材料特征,就不能很好地利用3D打印控制制造金属零部件。

第四,金属3D打印材料成本较高,制约了该技术的普及推广。成本高企的原因主要有两方面,一方面是因为国内大部分的金属3D打印材料依赖进口,另一方面,前期研发金属打印新材料需要投入大量的科研经费及人力、物力资源。但是,开发专用的金属3D打印原材料是推动金属3D打印发展的必然要求,而且,也是完善3D打印产业链的必然趋势。

总结

3D打印技术、机器人技术等新兴技术是我国“中国制造2025”的重要组成部分,是实现我国工业现代化的重要因素。3D打印在未来具有广阔的应用前景,可以应用于几乎各行各业,正如目前已经提出并得到广泛推广的“互联网+”技术一样,随着3D打印技术的发展成熟,未来现代制造业可能出现“3D打印+”的局面,3D打印也将不仅局限于工业制造领域,在文化创意领域、设计领域等等也将得到更广泛的应用,甚至可能走进千家万户,成为日常生活中的一部分,消费者根据自己的需求,随时生产自己想要的物品。金属3D打印突破了材料领域的限制,赋予了3D打印更加鲜明的工业制造特征,必将得到更广泛的应用和关注。(来源网络)

转载自上海增材制造协会

 

 

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