关于金属3D打印的知识

2020-11-18 11:42:54 anet 7

金属3D打印技术是什么

  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打印机

金属3D打印机的种类

  1. 选区激光烧结(SLS)又叫选择性激光烧结:选择性激光烧结技术整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成,工作粉末缸活塞(送粉活塞)上升,由铺粉辊将粉末在成型缸活塞(工作活塞)上均匀铺上一层, 计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹,有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。完成一层后,工作活塞下降一个层厚, 铺粉系统铺上新粉,控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往复,层层叠加,直到3D模型零件成型。

  2. 直接金属激光成形(DMLS):SLS制造金属零部件,通常有两种方法,其一为间接法,即聚合物覆膜金属粉末的SLS;其二为直接法,即直接金属粉末激光烧结(DirectMetalLaserSintering,DMLS)。 自从1991年金属粉末直接激光烧结研究在Leuvne的Chatofci大学开展以来,利用SLS工艺直接烧结金属粉末成形3D零部件是快速原型制造的最终目标之一。 与间接SLS技术相比,DMLS工艺最主要的优点是取消了昂贵且费时的预处理和后处理工艺步骤。

  3. 选区激光熔化(SLM):SLM技术需要使金属粉末完全熔化,直接成型金属件,因此需要高功率密度激光器激光束开始扫描前,水平铺粉辊先把金属粉末平铺到加工室的基板上, 然后激光束将按当前层的轮廓信息选择性地熔化基板上的粉末,加工出当前层的轮廓,然后可升降系统下降一个图层厚度的距离,滚动铺粉辊再在已加工好的当前层上铺金属粉末, 设备调入下一图层进行加工,如此层层加工,直到整个零件加工完毕。

  4. 电子束熔化(EBM):电子束选区熔化技术(EBSM)是一种采用高能高速的电子束选择性地轰击金属粉末,从而使得粉末材料熔化成形的快速制造技术。EBSM技术的工艺过程为: 先在铺粉平面上铺展一层粉末;然后,电子束在计算机的控制下按照截面轮廓的信息进行有选择的熔化,金属粉末在电子束的轰击下被熔化在一起,并与下面已成形的部分粘接, 层层堆积,直至整个零件全部熔化完成;最后,去除多余的粉末便得到所需的3D产品。

  5. 激光熔覆式成型技术(LMD):成型过程中,通过喷嘴将粉末聚集到工作平面上,同时激光束也聚集到该点,将粉光作用点重合,通过工作台或喷嘴移动,获得堆积的熔覆实体。

金属3D打印机常用的材料

  1. 工具钢和马氏体钢

      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。

  2. 不锈钢

      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。

  3. 纯钛及钛合金

      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。

  4. 镍基合金

      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。

  5. 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。

  6. 铜基合金

      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**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。

  7. 铝合金

      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。

金属3D打印的应用范围

  1. 珠宝加工

  2. 金属3D打印应用于珠宝加工

  3. 医疗领域

    金属3D打印在医疗领域的应用

  4.   航空航天

    金属3D打印航空航天器材

  5.   军工国防

    国防军工的金属3D打印

  6.   模具制造

    金属3D打印模具

  7.   汽车工业

    世界首辆3D打印汽车

  而随着技术的进步,金属3D打印件的质量会得到提升,金属3D打印的应用范围则会进一步扩大。

金属3D打印的优势

  与传统制造业的CNC数控加工等“减材制造技术”相比,3D打印技术的的魅力主要在于可直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件, 可以为复杂结构金属零部件免去开发开模环节,缩短新品开发周期,节省出更多的人力、财力和时间,具有制造成本低、研制周期短、 生产效率高等明显优势。此外,不受传统加工手段制约,生产形状复杂、尺寸微细、难于制造的零件也是3D打印技术的强项。

金属3D打印的发展难点

  1. 高温:金属3D打印需要克服的难点一个是高温,因为金属材料熔点较高;

  2. 高应力:另一个就是高应力,因为金属材料快速冷却凝固过程中内应力很大;

  3. 组织:除此之外, 组织及性能控制方面也是一大难点,因为金属3D打印部件是要直接使用的,不像非金属材料模型,而一旦使用就涉及到部件的机械强度。需要控制好微观组织, 才能达到力学性能要求,最终才能实现真正的应用。


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