金屬3D打印是一種使用金屬粉末直接打印金屬零件的3D打印技術,又稱為金屬粉末燒結(jié)(SLM).3D打印金屬粉末需具備良好的可塑性外,還必須滿足粉末粒徑細小、粒度分布較窄、球形度高、流動性好和松裝密度高等要求.目前大多數(shù)3D打印機使用的金屬粉末包括不銹鋼、鋁合金、鈷鉻合金、銅合金、鈦合金和鎳合金等.鐵基合金是工程技術中最重要、用量最大的金屬材料,多用于復雜結(jié)構(gòu)的成型,在航空航天、汽車、船舶、機械制造等行業(yè)得到廣泛的應用.
金屬粉末種類和所采用3D打印的工藝決定了最終產(chǎn)品的性能
不銹鋼粉末
相對廉價的金屬打印材料,性價比高,耐腐蝕性能好,強度高,可快速高效地進行小批量復雜工業(yè)零部件的生產(chǎn)制造.
鋁合金粉末
目前,應用于金屬3D打印的鋁合金主要包括鋁硅AlSi12和AlSi10Mg.鋁硅12是一種輕質(zhì)添加劑,用于生產(chǎn)具有良好熱性能的金屬粉末.硅鎂組合使鋁合金具有更高的強度和剛度,使其適用于薄壁和復雜的幾何形狀,特別是在具有良好熱性能和低重量的應用中.鋁合金是工業(yè)中應用最廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料,其密度低,比強度較高,接近或超過優(yōu)質(zhì)鋼,塑性好.研究表明,3D打印用鋁合金可以做到零件致密、組織細小,力學性能則堪比鑄件甚至優(yōu)于鑄造成型零件,且相較于傳統(tǒng)工藝零部件其質(zhì)量可減少22%,成本卻可減少30%。
鈷鉻合金粉末
金屬3D打印的鈷鉻合金粉末由于其具備優(yōu)良的耐磨耗及耐腐蝕性能,常用用于打印各類人工關節(jié)及整形外科植入器械,此外于齒科領域也均有用到.
銅合金粉末
具有優(yōu)異的導熱性和導電性,熱管理應用中的具優(yōu)良熱傳導率的銅,可以結(jié)合設計自由度,產(chǎn)生復雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和隨形冷卻通道.
鈦合金粉末
在航空航天領域應用比較廣泛,利用3D打印的優(yōu)勢幫助優(yōu)化產(chǎn)品設計,例如用復雜且合理的結(jié)構(gòu)代替原先的實心體,使成品重量更低,力學性能卻更好.這樣不僅能降低成本,而且能實現(xiàn)各個部件的輕量化生產(chǎn).
鎳合金粉末
鎳合金耐氧化、耐腐蝕的特性使其適用于高溫高壓的嚴苛環(huán)境鎳合金受熱時,合金表面會鈍化出一層又厚又穩(wěn)定的氧化層,保護合金內(nèi)部不受腐蝕.鎳合金在很廣的溫度范圍內(nèi)能維持良好的機械性質(zhì).
粉末材料如何用于 3D 打印
使用高能量的激光束再由3D模型數(shù)據(jù)控制來局部熔化金屬基體,同時燒結(jié)固化粉末金屬材料并自動地層層堆疊,以生成致密的幾何形狀的實體零件.
如何生產(chǎn)3D 打印金屬粉末
金屬粉末制造是粉末冶金的一個基本方面.用于制備金屬粉末的不同方法包括還原法、電解法、羰基分解法、研磨法和霧化法.
生產(chǎn)金屬粉末最廣泛使用的四種方法是固態(tài)還原法、電解法、化學法和霧化法.
大多數(shù)制造商使用電解和還原方法來生產(chǎn)元素金屬粉末.但它們不適用于制造合金粉末.然而,霧化法傾向于克服這一限制,因此制造商將其用于生產(chǎn)合金粉末.
電解是另一種用于生產(chǎn)粉末金屬的方法.通過選擇合適的電解質(zhì)組成、溫度、濃度和電流密度,可以將不同的金屬沉積為海綿狀或粉末狀.這之后可以進行洗滌、干燥、還原、退火和壓碎.該方法生產(chǎn)純度非常高的金屬粉末.由于其高能量需求,它基本上用于高導電銅粉.
霧化法是指通過機械的方法使金屬熔液粉碎成尺寸小于150μm左右的顆粒的方法.按照粉碎金屬熔液的方式分類,霧化法包括二流霧化法、離心霧化、超聲霧化、真空霧化等.這些霧化方法具有各自特點,且都已成功應用于工業(yè)生產(chǎn).其中水氣霧化法具有生產(chǎn)設備及工藝簡單、能耗低、批量大等優(yōu)點,己成為金屬粉末的主要工業(yè)化生產(chǎn)方法.
3D打印對金屬粉末的性能要求
1、純凈度
陶瓷夾雜物會顯著降低最終制件的性能,而且這些夾雜物一般具有較高的熔點,難以燒結(jié)成形,因此粉末中必須無陶瓷夾雜物.除此之外,氧、氮含量也需要嚴格控制.目前用于金屬3D打印的粉末制備技術主要以霧化法為主,粉末具有大的比表面積,容易氧化,在航空航天等特殊應用領域,客戶對此指標的要求更為嚴格,如高溫合金粉末氧含量為0.006%-0.018%,鈦合金粉末氧含量為0.007%-0.013%,不銹鋼粉末氧含量為0.010%-0.025%.
2、粉末流動性和松裝密度
粉末流動性直接影響打印過程中鋪粉的均勻性和送粉過程的穩(wěn)定性.流動性與粉末形貌、粒度分布及松裝密度相關,粉末顆粒越大、顆粒形狀越規(guī)則、粒度組成中極細的粉末所占的比例越小,其流動性越好;顆粒密度不變,相對密度增加,粉末流動性則增加.另外,顆粒表面吸附水、氣體等會降低粉末流動性.
3、粉末粒度分布
不同3D打印設備及成形工藝對粉末粒度分布要求不同.目前金屬3D打印常用的粉末粒度范圍是15-53μm(細粉)、53-105μm(粗粉).3D打印用金屬粉末粒度的選擇主要是根據(jù)不同能量源的金屬打印機劃分的,以激光作為能量源的打印機,因其聚焦光斑精細,較易熔化細粉,適合使用15-53μm的粉末作為耗材,粉末補給方式為逐層鋪粉;以電子束作為能量源的鋪粉型打印機,聚焦光斑略粗,更適于熔化粗粉,適合使用53-105μm的粗粉為主;對于同軸送粉型打印機,則可采用粒度為105-150μm的粉末作為耗材.
4、粉末形貌
粉末形貌和粉末的制備方法密切相關.一般由金屬氣態(tài)或熔融液態(tài)轉(zhuǎn)變成粉末時,粉末顆粒形狀趨于球形,由固態(tài)狀變?yōu)榉勰r,粉末顆粒多為不規(guī)則形狀,而由水溶液電解法制備的粉末多數(shù)呈樹枝狀.一般而言,球形度越高,粉末顆粒的流動性也越好.3D打印金屬粉末要求球形度在98%以上,這樣打印時鋪粉及送粉更容易進行.
3D金屬粉末打印的重要性
金屬粉末使3D打印速度更快,并且可以進行快速原型制作.制造商還可以更有效地修改設計.這種方法也具有成本效益,因為金屬 3D 打印機只使用制造所需零件所需的材料數(shù)量.
使設計復雜的機器零件變得容易,并使"不可能"的機器零件的生產(chǎn)成為可能.
