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軌道交通新聞

金屬3D打印材料,你了解多少?

星之球科技 來源:新材料在線2016-01-04 我要評論(0 )   

金屬3D打印材料的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛,例如,石化工程應(yīng)用、航空航天、汽車制造、注塑模具、輕金屬合金鑄造、食品加工、醫(yī)療、造紙、電力工業(yè)、珠寶、時裝等。

雖然說3D打印在國內(nèi)近幾年熱度才升起來,但就國際而言,3D打印發(fā)展早在20世紀80年代就已經(jīng)興起了。國際范圍內(nèi),美國Argen Corporation(在牙科金屬材料領(lǐng)域尤其有實力),美國Carpenter Technology,德國Concept Laser, 英國CPM,德國EOS,意大利Legor Group,英國LPW Technology,美國Pyrogenesis(在國防領(lǐng)域尤其擅長),瑞典Sandvik,德國SLM Solutions等企業(yè)在各自的金屬打印領(lǐng)域提供了一系列的行業(yè)解決方案。相比國外,國內(nèi)金屬3D打印材料大部分依賴進口,價格昂貴,這也促使國內(nèi)致力于3D打印金屬材料的企業(yè)和機構(gòu)自主研發(fā)金屬3D打印材料。

In wher 金屬3D打印材料 be used ?

金屬3D打印材料的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛,例如,石化工程應(yīng)用、航空航天、汽車制造、注塑模具、輕金屬合金鑄造、食品加工、醫(yī)療、造紙、電力工業(yè)、珠寶、時裝等。

但是,因為金屬3D打印材料本身的材料屬性,其都有特定的應(yīng)用領(lǐng)域范圍,因此,金屬3D打印材料選擇的過程是一個權(quán)衡多個因素的過程。而且,3D打印金屬不能僅僅憑借金屬3D打印機的參數(shù)來衡定,每種金屬材料都有適合自身特性的極限點,包括應(yīng)用、功能、穩(wěn)定性、耐久性、美觀性、經(jīng)濟性都是設(shè)計師要考慮的因素。

現(xiàn)今,國內(nèi)外金屬3D打印機采用的金屬粉末一般有:工具鋼、馬氏體鋼、不銹鋼、純鈦及鈦合金、鋁合金、鎳基合金、銅基合金、鈷鉻合金等。

1.工具鋼和馬氏體鋼


工具鋼
以工具鋼和馬氏體鋼為例,工具鋼的適用性來源于其優(yōu)異的硬度、耐磨性和抗形變能力,以及在高溫下保持切削刃的能力。模具H13熱作工具鋼就是其中一種,能夠承受不確定時間的工藝條件;馬氏體鋼,以馬氏體300為例,又稱“馬氏體時效”鋼,在時效過程中的高強度、韌性和尺寸穩(wěn)定性都是眾所周知的。他們與其他鋼不同,因為他們是不含碳的,屬于金屬間化合物,通過豐富的鎳、鈷和鉬的冶金反應(yīng)硬化。由于高硬度和耐磨性,馬氏體300才適用于許多模具的應(yīng)用,例如,注塑模具、輕金屬合金鑄造、沖壓和擠壓等,同時,其也廣泛應(yīng)用于航空航天、高強度機身部件和賽車零部件。

2.不銹鋼

不銹鋼

不銹鋼與碳鋼不同,目前的鉻含量不同,10.5%鉻含量最低的鋼合金,不銹鋼不容易生銹腐蝕。目前,應(yīng)用于金屬3D打印的不銹鋼主要有三種:奧氏體不銹鋼316L、馬氏體不銹鋼15-5PH、馬氏體不銹鋼17-4PH。

奧氏體不銹鋼316L,具有高強度和耐腐蝕性,可在很寬的溫度范圍下降到低溫,可應(yīng)用于航空航天、石化等多種工程應(yīng)用,也可以用于食品加工和醫(yī)療等領(lǐng)域。

馬氏體不銹鋼15-5PH,又稱馬氏體時效(沉淀硬化)不銹鋼,具有很高的強度、良好的韌性、耐腐蝕性,而且可以進一步的硬化,是無鐵素體。目前,廣泛應(yīng)用于航空航天、石化、化工、食品加工、造紙和金屬加工業(yè)。

馬氏體不銹鋼17-4PH,在高達315℃下仍具有高強度高韌性,而且耐腐蝕性超強,隨著激光加工狀態(tài)可以帶倆極佳的延展性。

3.合金

金屬3D打印材料應(yīng)用最為廣泛的金屬粉末合金主要有純鈦及鈦合金、鋁合金、鎳基合金、鈷鉻合金、銅基合金等。

1)純鈦及鈦合金


鈦合金

目前應(yīng)用于市場的純鈦,又稱商業(yè)純鈦,分為1級和2級粉體,2級強于1級,對于大多數(shù)的應(yīng)用同樣具有耐腐蝕性。因為純鈦2級具有良好的生物相容性,因此在醫(yī)療行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。

鈦是鈦合金產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵。目前,應(yīng)用于金屬3D打印的鈦合金主要是鈦合金5級和鈦合金23級,因為其優(yōu)異的強度和韌性,結(jié)合耐腐蝕、低比重和生物相容性,所以在航空航天和汽車制造中具有非常理想的應(yīng)用,而且,因為強度高、模量低、耐疲勞性強,應(yīng)用于生產(chǎn)生物醫(yī)學(xué)植入物。鈦合金23級,純度更高,是神級一樣的牙科和醫(yī)療鈦品級。

2)鋁合金


鋁合金

目前,應(yīng)用于金屬3D打印的鋁合金主要有鋁硅AlSi12和AlSi10Mg兩種。鋁硅12,是具有良好的熱性能的輕質(zhì)增材制造金屬粉末,可應(yīng)用于薄壁零件如換熱器或其他汽車零部件,還可應(yīng)用于航空航天及航空工業(yè)級的原型及生產(chǎn)零部件;硅/鎂組合使鋁合金更具強度和硬度,使其適用于薄壁以及復(fù)雜的幾何形狀的零件,尤其是在具有良好的熱性能和低重量場合中。

3)鎳基合金

 

一般情況下,鎳基合金都具有良好的抗拉伸、抗疲勞和抗熱疲勞性能。目前,主要有Inconel 738、Hastelloy X、Inconel 625、Inconel 713、Inconel 718等。

Inconel 738具有良好的高溫蠕變斷裂強度,抗熱腐蝕性是較低鉻含量的超合金,可長期暴露于高達920-980℃的高溫腐蝕性的環(huán)境中,適用于飛機發(fā)動機、燃氣輪機。

Hastelloy X在高溫下具有高強度和抗氧化性,在高達1200℃的環(huán)境中,也具有良好的延展性,目前,主要應(yīng)用于航空航天技術(shù)中,例如燃氣輪機部件和燃燒區(qū)組件如過渡管、燃燒器罐、噴桿、排氣管、加力燃燒室等;而且還因為具有耐應(yīng)力腐蝕開裂的性能,應(yīng)用于工業(yè)爐、石油化工及化學(xué)過程工業(yè)中。

Inconel 625在高溫約815℃的條件下依然具有良好的負載性能,而且耐腐蝕性強,廣泛應(yīng)用于航空航天、化工及電力工業(yè)中。

Inconel 713具有優(yōu)異的抗熱疲勞性能,以及在927℃的特殊斷裂強度,適用于噴氣發(fā)動機燃氣輪機葉片。

Inconel 718是基于鐵鎳硬化的超合金,具有良好的耐腐蝕性及耐熱、拉伸、疲勞、蠕變性,適用于各種高端應(yīng)用,例如,飛機渦輪發(fā)動機和陸基渦輪機等。

4)鈷鉻合金


鈷鉻合金具有高強度、耐腐蝕性強、良好的生物相容性以及無磁性的性能,主要應(yīng)用于外科植入物包括合金人工關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié),同時其還可用于發(fā)動機部件以及時裝、珠寶行業(yè)等。

5)銅基合金


青銅粉

應(yīng)用于市場的銅基合金,俗稱青銅,具有良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性,可以結(jié)合設(shè)計自由度,產(chǎn)生復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和冷卻通道,適合冷卻更有效的工具插入模具,如半導(dǎo)體器件,也可用于微型換熱器,具有壁薄、形狀復(fù)雜的特征。

What problem 金屬3D打印 has ?

就國內(nèi)而言,在金屬3D打印領(lǐng)域具有較高權(quán)威的3D打印企業(yè)當(dāng)屬西安鉑力特,公司一直專注于高性能致密金屬零件的激光立體成形制造,以及金屬零件的激光修復(fù)再制造,涵蓋各種鈦合金、高溫合金、不銹鋼、模具鋼、鋁合金等材料。

據(jù)西安鉑力特區(qū)域經(jīng)理周靈峰介紹,國內(nèi)的傳統(tǒng)制造業(yè)體量非常巨大,產(chǎn)品種類琳瑯滿目,而3D打印作為一項前沿科技,遠遠談不上顛覆制造業(yè),兩者是相輔相成、相互促進、協(xié)同發(fā)展的。

雖然,3D打印是一項自由結(jié)構(gòu)制造的技術(shù),但是,需要有很多加工方法來規(guī)避3D打印后處理的的痛點。因此,傳統(tǒng)制造業(yè)所使用的數(shù)控機床加工技術(shù)就顯得尤為重要,其與3D打印相得益彰,不同的產(chǎn)品在利用這兩種技術(shù)時可以變化主導(dǎo)制造流程,塑造的產(chǎn)品會更加完美。

至于要真正加工一個近乎完美的金屬件,設(shè)備載體固然重要,但是需要軟件、工藝、材料相互協(xié)調(diào),當(dāng)然,用金屬3D打印機制造零部件或者加工產(chǎn)品,首先需要熟悉材料,然后再談精密機械。而且,金屬打印,因為支撐問題,會導(dǎo)致后期零件無法加工,可能需要考慮更多材料成分的配比關(guān)系來迎合打印過程中其他因素對材料特性的影響。以3D打印航空航天零部件為例,航空航天上使用的金屬部件都是在極端環(huán)境下的,具有強抗腐蝕性、耐高溫、金屬強度高的特點,如果不熟悉材料特征,如何利用3D打印控制制造金屬零部件呢?因此,熟悉材料就顯得尤為重要。

另外,金屬3D打印材料成本較高,一方面是因為國內(nèi)大部分的金屬3D打印材料依賴進口,另一方面,前期研發(fā)金屬打印新材料需要消耗大量的科研經(jīng)費及人力、物力資源。但是,開發(fā)專用的金屬3D打印原材料是推動金屬3D打印發(fā)展的必然因素,而且,這也能催生新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

Summary

內(nèi)行看門道,外行看熱鬧。就國內(nèi)金屬3D打印的發(fā)展現(xiàn)狀而言,中國還有很長的路要走。據(jù)介紹,我們看到,美國在走“互聯(lián)網(wǎng)+”,德國走“+互聯(lián)網(wǎng)”,然后中國以德為師,提出工業(yè)4.0。但是,我們要認識到,德國具有雄厚的工業(yè)基礎(chǔ)作為支撐,才提出制造業(yè)+互聯(lián)網(wǎng),相比而言,中國的制造業(yè)基礎(chǔ)還是薄弱的,而且研究基礎(chǔ)也不高,這也是制約金屬3D打印材料發(fā)展的關(guān)鍵因素之一?,F(xiàn)今國家提出“互聯(lián)網(wǎng)+制造業(yè)”,是希望把個人的因素融合進來,讓知識流動性加強,然后逐步推進“互聯(lián)網(wǎng)+制造業(yè)”,促進傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級,推動3D打印的快速發(fā)展。

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