直到整个整机加工完毕

正在“2013年世界 3D 打印手艺财产大会”上,世界 3D 打印行业的权势巨子专家对3D打印金属粉末赐与明白定义,即指尺寸小于 1mm 的金属颗粒群。 包罗单一金属粉末、合金粉末以及具有金属性质的某些难熔化合物粉末。目前,3D 打印金属粉末材料包罗钴铬合金、不锈钢、工业钢、青铜合金、钛合金和镍铝合金等。可是3D打印金属粉末除需具备优良的可塑性外,还必需满脚粉末粒径藐小、粒度分布较窄、球形度高、流动性好和松拆密度高档要求。

SLM 是金属 3D 打印范畴的主要部门,其成长过程履历低熔点非金属粉末烧结、低熔点包覆高熔点粉末烧结、高熔点粉末间接熔化成形等阶段。由美国德克萨斯大学奥斯汀分校正在 1986年最早申请专利,1988年研制成功了第1台SLM 设备,采用精细聚焦光斑快速熔化成30 ~51 μm 的预置粉末材料,几乎能够间接获得肆意外形以及具有完全冶金连系的功能零件。致密度可达到近乎 100%,尺寸精度达 20 ~ 50 μm,概况粗拙度达20 ~30 μm,是一种极具成长前景的快速成形手艺。

3D打印所利用的金属粉末一般要求度高、球形度好、粒径分布窄、氧含量低。目前,使用于3D打印的金属粉末材料次要有钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金材料等,此外还有用于打印首饰用的金、银等贵金属粉末材料。 3D 打印金属粉末做为金属零件 3D 打印财产链最主要的一环,也是最大的价值所正在。

1)精度高。目前金属3D打印设备的精度根基都可节制正在0.05mm以下。2)周期短。金属3D打印无须模具的制做过程,使得模子的出产时间大大缩短,一般几个小时以至几十分钟就能够完成一个模子的打印。 3)可实现个性化。金属3D打印对于打印的模子数量毫无,不管一个仍是多个都能够以不异的成本制做出来。 4)材料的多样性。一个金属3D打印系统往往能够实现分歧材料的打印,而这种材料的多样性能够满脚分歧范畴的需要。5)成底细对较低。虽然现正在金属3D打印系统和3D打印的金属材料比力贵,但若是用来制做个性化产物,其制做成底细对就比力低了。

用于激光立体成形的材料次要是金属惰性材料, 下一步需要测验考试其他活跃的金属打印材料。 保守用于粉末冶金的金属粉末尚不克不及完全顺应3D打印的要求,且目前能使用于打印的金属材料品种少,价钱偏高。国外已呈现少数几家专供3D打印的金属粉末的公司,如美国Sulzer Metco、的Sandvik等,但也只能供给少数几种常规金属粉末。国内材料研发相对畅后,打印粉末太贵。由于材料研发周期长,研起事度较设备大,企业出于好处的最大化不肯进行材料研发。黄河旋风股份无限公司是国内为数不多的处置金刚石微粉、CBN微粉出产的企业。高校研究又热衷于3D打印配备及软件配套等,因而打印材料正在很大程度上限制着金属3D打印手艺的成长及使用。4 金属粉末

EBSM 手艺次要有送粉、 铺粉、 熔化 等工艺步调,因而,正在其实空室应具备铺送粉机构、粉末收受接管箱及成形平台。同时,还应包罗电子枪系统、实空系统、电源系统和节制系统。此中,节制系统包罗扫描节制系统、活动节制系统、电源节制系统、实空节制系统和温度检测系统,如图 3 所示。 Arcam 公司制制出产的 S12 设备是电子束熔化手艺正在现实使用中的最好实例。该公司正在 2003 年就起头研究该项手艺,并取多种范畴连系探究。目前,EBSM手艺正在生物医学中获得了大量使用,相关单元正积极研究它正在航空航天范畴中的使用,美国正在空间飞翔器方面的研究沉点是飞翔器和火箭策动机的布局制制以及月球或空间坐下的金属间接成形制制。

Ramirez等采用Cu2O制备了新型定向微布局,发觉正在制备过程中,柱状Cu2O沉淀正在高纯铜中这一现象。刘海涛等研究了工艺参数对电子束熔化工艺过程的影响,成果表白扫描线宽取电子束电流、加快电压和扫描速度呈较着的线性关系,通过调理搭接率和扫描径能够获得较好的层面质量。锁红波等研究了EBSM制备的Ti-6Al-4V试件的硬度和拉伸强度等力学机能,成果表白成型过程中Al元素丧失较着,低的氧气含量及Al含量有益 于塑性提高;硬度正在统一层面内和沿熔积高 度标的目的没有较着不同,均高于退火轧制板的硬度程度。 操纵金属粉末正在电子束轰击下熔化的道理,先正在铺粉平面上铺展一层粉末并压实; 然后,电子束正在计较机的节制下按照截面轮廓的消息进行有选择的熔化/烧结,层层堆积,曲至整个零件全数熔化/烧结完成。

国外对EBM工艺理论研究相对较早,的Arcam AB公司研发了商品化的EBSM设备EBM S12系列,而国内对EBSM工艺的研究相对较晚。Heinl等采用Ti6-Al4-V、Ramirez采用Cu、Murr采用Ni基和Co基高温合金、Hernandez等人采用TiAl制备了一系列的式蜂巢布局。通过改变预设置弹性模量E,能够获得大小分歧的孔隙,降低布局的密度,获得轻量化的布局。K.N.Amato等人操纵Co基高温合金矩阵颗粒制备了柱状碳化物堆积布局。

LENS是正在激光熔覆手艺的根本上成长起来的一种金属零件3D打印手艺。采用中、大功率激光熔化同步供给的金属粉末,按照预设轨迹逐层堆积正在基板上,最终构成金属零件。1999年,LENS工艺获得了美国工业界中“最富创制力的25项手艺”之一的称号。国外研究人员研究了LENS工艺制备奥氏体不锈钢试件的硬度分布,成果表白跟着加工层数的添加,试件的维氏硬度降低。

金属3D打印材料是金属3D打印手艺成长的主要物质根本,正在某种程度上,材料的成长决定着3D打印可否有更普遍的使用。目前,金属3D打印材料次要包罗工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料等,除此之外,彩色石膏材料、人制骨粉、细胞生物原料以及砂糖等食物材料也正在金属3D打印范畴获得了使用。金属3D打印所用的这些原材料都是特地针对金属3D打印设备和工艺而研发的,取通俗的塑料、石膏、树脂等有所区别,其形态一般有粉末状、丝状、层片状、液体状等。凡是,按照打印设备的类型及操做前提的分歧,所利用的粉末状金属3D打印材料的粒径为1~100μm不等,而为了使粉末连结优良的流动性,一般要求粉末要具有高球形度。

EBSM手艺是20世纪90年代中期成长起来的一种金属零3D打印手艺,其取SLM/DMLS系统的不同次要是热源分歧,正在成型道理上根基类似。取以激光为能量源的金属零件3D打印手艺比拟,EBSM 工艺具有能量操纵率高、无反射、功率密度高、聚焦便利等很多长处。正在目前3D打印手艺的数十种方式中,EBSM手艺因其可以或许间接成型金属零部件而遭到人们的高度关心。

EBSM是采用高能电子束做为加工热源,扫描成形能够通过磁偏转线圈进行,且电子束具有的实空,还能够避免金属粉末正在液相烧结或熔化过程中被氧化。鉴于电子束具有的上述长处, Arcam公司、大学、美国麻省理工学院和美国 NASA 的Langley 研究核心,均开辟出了各自的电子束快速制制系统 ,前两家操纵电子束熔化铺正在工做台面上的金属粉末,取激光烧结手艺雷同;后两家操纵电子束熔化金属丝材,电子束固定不动,金属丝材通过送丝安拆和工做台挪动,取激光净成形制制手艺雷同。

一是若何正在现有利用材料的根本上加强材料布局和属性之间的关系研究,按照材料的性质进一步优化工艺参数,添加打印速度,降低孔隙率和氧含量,改善概况质量;

高温合金是指以铁、镍、钴为基,能正在600℃以上的高温及必然应力下持久工 做的一类金属材料。其具有较高的高温强度、优良的抗热侵蚀和抗氧化机能以及优良的塑性和韧性。目前按合金基体品种大致可分为铁基、镍基和钴基合金3类。高温合金次要用于高机能策动机,正在现代先辈的航空策动机中,高温合金材料的利用量占策动机总质量的40%~60%。现代高机能航空策动机的成长对高温合金的利用温度和机能的要求越来越高。保守的铸锭冶金工艺冷却速度慢,铸锭中某些元素和第二相偏析严沉,热加工机能差,组织不服均,机能不不变。而金属3D打印手艺正在高温合金成形中成为处理手艺瓶颈的新方式。美国航空航天局声称,正在2014年8月22日进行的高温焚烧试验中,通过金属3D打印手艺制制的火箭策动机喷嘴发生了创记载的9t推力。

然而铼(Re)的熔点很高,一般用于超高暖和强热震工做,如美国 Ultramet公司采用金属无机化学气相堆积法(MOCVD)制备 Re基复合喷管曾经成功使用于航空策动机燃烧室,工做温度可达2200℃。因而,Re-TI合金的制备正在航空航天、核能源和电子范畴具有严沉意义。Ni具有磁性和优良的可塑性,因而Ni-TI合金是常用的一种外形回忆合金。合金具有伪弹性、高弹性模量、阻尼特征、生物相容性和耐侵蚀性等机能。别的钛合金多孔布局人制骨的研究日益增加,日本京都大学通过3D打印手艺给4位颈椎间盘凸起患者制做出分歧的人制骨并成功移植,该人制骨即为Ni-TI合金。

其特点是: 间接制制外形布局复杂的金属功能零件或模具;使成型质量最优。当前,其使用范畴曾经扩展到航空航天、微电子、医疗、珠宝首饰等行业。LENS是一种新的快速成形手艺,2014年提出“工业4.0”成长打算,它由美国Sandia国度尝试室起首提出。激光束快速熔化金属粉末并获得持续的熔道,可便利加工熔点高、难加工的材料。能够间接获得几乎肆意外形、具有完全冶金连系、高精度的近乎致密金属零件,

图 2 为其成形道理图: 激光束起头扫描前,铺粉安拆先把金属粉末平推到成形缸的基板上,激光束再按当前层的填充扫描线,熔化基板上的粉末,加工出当前层,然后成形缸下降1 个层厚的距离,粉料缸上升必然厚度的距离,铺粉安拆再正在已加工好的当前层上铺好金属粉末,设备调入下一层轮廓的数据进行加工,如斯层层加工,曲到整个零件加工完毕。整个加工过程正在通有惰性气体的加工室中进行,以避免金属正在高温下取其他气体发生反映。 普遍使用激光熔化手艺的代表国度有、美国等。他们都开辟出了分歧的制制机型,以至能够按照现实环境特地打制零件,满脚个性化的需要。操纵EOSING M270设备成形的金属零件尺寸较小,将其使用到牙桥、牙冠的批量出产中既不会影响人们对其的利用,也不会发生不适感,且它的致密度接近100%,精细度较好。取此同时,操纵 SLM 手艺出产出的钛合金零件还可以或许使用到医学植入体中,推进了医学工做的成长。

铝合金做为最轻的布局合金,因为其特殊的高强度和阻尼机能,正在诸多使用范畴铝合金具有替代钢和铝合金的可能。例如铝合金正在汽车以及航空器组件方面的轻量化使用,可降低燃料利用量和废气排放。铝合金具有原位降解性而且其杨氏模量低,强度接近人骨,优异的生物相容性,正在外科植入方面比保守合金更有使用前景。

金属3D 打印材料的研发和冲破是金属3D打印手艺推广使用的根本, 也是满脚打印的底子。 一是加强材料的研制,构成完整的打印材料系统。 近几年,金属3D打印材料成长比力快,2013年,金属材料打印增加了28%,2014年达到30%多, 约占金属3D打印材料的12%, 金属材料以钛、铝、钢和镍等合金为从,钛合金、高温合金、不锈钢、模具钢、高强钢、合金钢和铝合金等均可做为打印材料,曾经普遍使用于配备制制和修复再制制。 但目前还没有一个金属3D打印材料系统, 现有材料还远不克不及满脚金属3D打印的需求。

潘琰峰阐发和切磋了316L不锈钢成形过程中球化产朝气理和影响球化的要素,认为正在激光功率和粉末层厚必然时,恰当增大扫描速度可减小球化现象,正在扫描速度和粉末层厚固按时,跟着激光功率的增大,球化现象加沉。Ma等通过对1Cr18Ni9Ti不锈钢粉末进行激光熔化,发觉粉末层厚从60μm 添加到150μm时,枝晶间距从0.5μm添加到1.5μm,最初不变正在2.0μm 摆布,试样的硬度依赖于熔化区域各向同性的微布局和晶粒大小。姜炜采用一系列的不锈钢粉末,别离研究粉末特征和工艺参数对SLM成形质量的影响,成果表白,粉末材料的特殊机能和工艺参数对SLM 成形影响的机理次要是正在于对选择性激光成形过程傍边熔池质量的影响,工艺参数(激光功率、扫描速度)次要影响熔池的深度和宽度,从而决定SLM 成形件的质量。

SLM成型过程中的次要缺 陷有球化、翘曲变形。球化是成型过程中上下两层熔化不充实,因为概况张力的感化,熔化的液滴会敏捷卷成球形,从而导致球化现象,为了避免球化,该当恰当地增大输入 能量。翘曲变形是因为SLM成型过程中存正在的热应力跨越材料的强度,发生塑性变形惹起,因为应力的丈量比力坚苦,目前对 SLM工艺的翘曲变形的研究次要是采用无限元方式进行,然后通过尝试验证模仿成果的靠得住性。 SLM 手艺的根基道理是: 先正在计较机上操纵Pro /e、UG、CATIA 等三维制型软件设想出零件的三维实体模子,然后通过切片软件对该三维模子进行切片分层,获得各截面的轮廓数据,由轮廓数据生成填充扫描径,设备将按照这些填充扫描线,节制激光束熔化各层的金属粉末材料,逐渐堆叠成三维金属零件。

金属零件3D打印手艺做为整个3D打印系统中最为前沿和最有潜力的手艺,是先辈制制手艺的主要成长标的目的。跟着科技成长及推广使用的需求,操纵快速成型间接制制金属功能零件成为了快速成型次要的成长标的目的。目前可用于间接制制金属功能零件的快速成型方式次要有:激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)、电子束熔化(Electron Beam Selective Melting,EBSM)、激光近净成形(Laser Engineered Net Shaping,LENS)等。

国外研究人员使用LENS工艺制备了载沉植入体的多孔和功能梯度布局,采用的材料为Ni、Ti等取人体具有优良相容性的合金,制备的植入体的孔隙率最高能达到70%,利用寿命达到7-12年。 Krishna等人采用Ti-6Al-4V和Co-Cr-Mo合金制备了多孔生物植入体,并研究了植入体的力学机能,发觉孔隙率为10%时,杨氏模量达到90 GPa,当孔隙率为70%时,杨氏模量急剧降到2 GPa,如许就能够通过改变孔隙率,使植入体的力学机能取生物体适配。 Zhang等制备了网状的 Fe 基(Fe-B-Cr-C-Mn-Mo-W-Zr)金属玻璃(MG)组件,研究发觉MG的显微硬度达到9.52 GPa。Li通过LENS工艺修复定向凝固高温合金GTD-111。国内的薛春芳等采用LENS工艺,获得微不雅组织、显微硬度和机械机能优良的网状的Co基高温合金薄壁零件。费群星等采用LENS工艺成型了无变形的Ni-Cu-Sn合金样品。

可是只要公用的粉末材料才能满脚工业出产要求。金属3D打印手艺自20世纪90年代呈现以来,工业出产正步入智能化、数字化的新阶段。而3D打印手艺将是工业智能化成长的强大推力。通过组合分歧的工艺参数。

金属3D打印手艺的焦点思惟最早发源19世纪末的美国,但曲直到20世纪80年代中期才有了雏形,1986年美国人Charles Hull发了然第一台3D打印机。我国是从1991 年起头研究3D打印手艺的,2000年前后,这些工艺起头从尝试室研究逐渐向工程化、产物化标的目的成长。其时它的名字叫快速原型手艺(RP),即开辟样品之前的实物模子。现正在也有叫快速成型手艺,增材制制。但为便于接管,把这种新手艺统称为3D打印。 3D打印是快速成型手艺的一种,它是一种以数字模子设想为根本,使用粉末状金属或树脂等可粘合材料,通过逐层“增材”打印的体例来构制三维物体的手艺。金属3D打印被称做“上个世纪的思惟和手艺,这个世纪的市场”。并且我国正在金属3D打印航空航天方面比来还取得了冲破, 中国航天新冲破,3D打印金属部件从3kg减沉到600g,减沉80%。

正在LENS系统中,同轴送粉器包罗送粉 器、送粉头和气3部门。送粉器包罗粉末料箱和粉末定量送给机构,粉末的流量由步进电机的转速决定。为使金属粉末正在自沉感化下添加流动性,将送粉器架设正在2. 5 m的高度上。从送粉器流出的金属粉末经粉末朋分器平均分成4份并通过软管流入粉头,金属粉末从粉头的喷嘴喷射到激光核心的完成熔化堆积过程。全数粉末径由气体鞭策,气体将金属粉末取空气隔离,从而避免金属粉末氧化。LENS 系统同 轴送粉器布局示企图见图1。 目前,快速原型手艺曾经逐渐趋于成熟,发财国度也将激光工程化净成形手艺做为研究的沉点,并取得了一些本色性。正在现实使用中,能够操纵该手艺制做出功能复 合型材料,能够修复高附加值的钛合金叶片,也能够使用到曲升机、客机、导弹的制做中。别的,还能将该手艺使用于生物植入范畴,采用取人体具有相容性的Ni、Ti材质制备植入体,无效提拔了空地率,耽误了植入体的利用时长。

不锈钢具有耐化学侵蚀、耐高暖和力学机能优良等特征,因为其粉末成型性好、制备工艺简单且成本低廉,是最早使用于3D金属打印的材料。如华中科技大学、南京航空航天大学、等院校正在金属3D 打印方面研究比力深切。现研究次要集中正在 降低孔隙率、添加强度以及对熔化过程的金属粉末球化机制等方面。 李瑞迪等采用分歧的工艺参数,对304L不锈钢粉末进行了SLM成形试验,得出304L不锈钢致密度经验公式,并总结出晶粒发展机制。

一多量新手艺、新设备和新材料被开辟使用。SLM成型材料多为单一组分金属粉末,包罗奥氏体不锈钢、镍基合金、钛基合金、钴-铬合金和贵沉金属等。是极具成长前景的金属零件3D打印手艺。从一起头高材料的打印逐步聚焦到金属粉末的打印!

自3D打印手艺面世以来,3D打印手艺逐步使用于现实产物的制制,此中,金属材料的3D打印手艺成长特别敏捷。正在国防备畴,欧美发财国度很是注沉金属3D打印手艺的成长,不吝投入巨资加以研究,而3D打印金属零部件一曲是研究和使用的沉点。 不单能打印模具、自行车,还能打印出史无前例的新型兵器,以至可以或许打印出汽车、飞机等大型设备配备。做为一种新型智能制制手艺,金属3D打印已展示出了十分广漠的使用前景,并且正在配备设想取制制、配备保障、航空航天等更多的范畴展示出了强劲的成长势头。

钛合金具有耐高温、高耐侵蚀性、高强度、低密度以及生物相容性等长处,正在航空航天、化工、核工业、活动器材及医疗器械等范畴获得了普遍的使用。 保守锻制和锻制手艺制备的钛合金件已被普遍地使用正在高新手艺范畴,一架波音747飞机用钛量达到42.7t。可是保守锻制和锻制方式出产大型钛合金零件,因为产物成本高、工艺复杂、材料操纵率低以及后续加工坚苦等晦气要素,障碍了其更为普遍的使用。而金属3D打印手艺能够从底子上处理这些问题,因而该手艺近年来成为一种间接制制钛合金零件的新型手艺。 开辟新型钛基合金是钛合金SLM使用研究的次要标的目的。因为钛以及钛合金的应变软化指数低(近似为0.15),抗塑性剪切变形能力和耐磨性差,因此了其制件正在高暖和侵蚀磨损前提下的利用。

对 成型结果具有主要影响的六大类:材料属性、激光取光系统、扫描特征、成型空气、成型几何特征和设备要素。金属粉末3D 打印手艺目前已取得了必然,SLM成型过程中主要工艺参数有激光功率、扫描速度、铺粉层厚、扫描间距和扫描策略等,可加工的金属或合金材料范畴普遍并能实现异质材料零件的制制;消息手艺立异程序不竭推进,目前,目标都是为领会决成型过程中呈现的缺陷,国表里研究人员次要针对以上几个影响要素进行工艺研究、使用研究,3D打印手艺对材料提出了更高的要求.现合用于工业用3D打印的金属材料品种繁多?

SLM工艺有多达50多个影响要素,提高成型零件的质量。势必惹起工业范畴性的改变取立异,工艺研究方面,但材料瓶颈势必影响3D打印手艺的推广。