金屬3D打印是屬于數(shù)字熱加工的一項(xiàng)技術(shù),目前制備金屬的3D打印技術(shù)主要有:選區(qū)激光熔化/燒結(jié)(SLM/SLS)、電子束選區(qū)熔化(EBSM)、激光近凈成形(LENS)等。 與傳統(tǒng)工藝相比,金屬3D打印有直接成型,無(wú)需模具,可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化設(shè)計(jì)并制作復(fù)雜結(jié)構(gòu),高效、低消耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)。但是因?yàn)槠涫菙?shù)字熱加工,變形是無(wú)法消除的, 變形量需要從工藝和經(jīng)驗(yàn)上去控制,最后還要經(jīng)過(guò)數(shù)控機(jī)床等技術(shù)的后期加工處理。
整個(gè)工藝裝置由粉末缸和成型缸組成,工作粉末缸活塞(送粉活塞)上升,由鋪粉輥將粉末在成型缸活塞(工作活塞)上均勻鋪上一層, 計(jì)算機(jī)根據(jù)原型的切片模型控制激光束的二維掃描軌跡,有選擇地?zé)Y(jié)固體粉末材料以形成零件的一個(gè)層面。完成一層后,工作活塞下降一個(gè)層厚, 鋪粉系統(tǒng)鋪上新粉,控制激光束再掃描燒結(jié)新層。如此循環(huán)往復(fù),層層疊加,直到三維零件成型。
選區(qū)激光燒結(jié)SLS制造金屬零部件,通常有兩種方法,其一為間接法,即聚合物覆膜金屬粉末的SLS;其二為直接法,即直接金屬粉末激光燒結(jié)(DirectMetalLaserSintering,DMLS)。 自從1991年金屬粉末直接激光燒結(jié)研究在Leuvne的Chatofci大學(xué)開(kāi)展以來(lái),利用SLS工藝直接燒結(jié)金屬粉末成形三維零部件是快速原型制造的最終目標(biāo)之一。 與間接SLS技術(shù)相比,DMLS工藝最主要的優(yōu)點(diǎn)是取消了昂貴且費(fèi)時(shí)的預(yù)處理和后處理工藝步驟。
直接金屬激光成形SLM技術(shù)需要使金屬粉末完全熔化,直接成型金屬件,因此需要高功率密度激光器激光束開(kāi)始掃描前,水平鋪粉輥先把金屬粉末平鋪到加工室的基板上, 然后激光束將按當(dāng)前層的輪廓信息選擇性地熔化基板上的粉末,加工出當(dāng)前層的輪廓,然后可升降系統(tǒng)下降一個(gè)圖層厚度的距離,滾動(dòng)鋪粉輥再在已加工好的當(dāng)前層上鋪金屬粉末, 設(shè)備調(diào)入下一圖層進(jìn)行加工,如此層層加工,直到整個(gè)零件加工完畢。
選區(qū)激光熔化電子束選區(qū)熔化技術(shù)(EBSM)是一種采用高能高速的電子束選擇性地轟擊金屬粉末,從而使得粉末材料熔化成形的快速制造技術(shù)。EBSM技術(shù)的工藝過(guò)程為: 先在鋪粉平面上鋪展一層粉末;然后,電子束在計(jì)算機(jī)的控制下按照截面輪廓的信息進(jìn)行有選擇的熔化,金屬粉末在電子束的轟擊下被熔化在一起,并與下面已成形的部分粘接, 層層堆積,直至整個(gè)零件全部熔化完成;最后,去除多余的粉末便得到所需的三維產(chǎn)品。
電子束熔化成型過(guò)程中,通過(guò)噴嘴將粉末聚集到工作平面上,同時(shí)激光束也聚集到該點(diǎn),將粉光作用點(diǎn)重合,通過(guò)工作臺(tái)或噴嘴移動(dòng),獲得堆積的熔覆實(shí)體。
激光熔覆式成型技術(shù)工具鋼的適用性來(lái)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(shí)間的工藝條件;馬氏體鋼,以馬氏體300為例,又稱“馬氏體時(shí)效”鋼,在時(shí)效過(guò)程中的高強(qiáng)度、韌性和尺寸穩(wěn)定性都是眾所周知的。
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。
目前應(yīng)用于市場(chǎng)的純鈦,又稱商業(yè)純鈦,分為1級(jí)和2級(jí)粉體,2級(jí)強(qiáng)于1級(jí),對(duì)于大多數(shù)的應(yīng)用同樣具有耐腐蝕性。因?yàn)榧冣?級(jí)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。
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。
鈷鉻合金具有高強(qiáng)度、耐腐蝕性強(qiáng)、良好的生物相容性以及無(wú)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(shí)其還可用于發(fā)動(dòng)機(jī)部件以及時(shí)裝、珠寶行業(yè)等。
應(yīng)用于市場(chǎng)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(jì)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**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。
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(chē)零部件,還可應(yīng)用于航空航天及航空工業(yè)級(jí)的原型及生產(chǎn)零部件;硅/鎂組合使鋁合金更具強(qiáng)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(chǎng)合中。
金屬3D打印的主要應(yīng)用領(lǐng)域是航空航天、軍工、模具制造、汽車(chē)、珠寶及醫(yī)療領(lǐng)域。而隨著技術(shù)的進(jìn)步,金屬3D打印件的質(zhì)量會(huì)得到提升,金屬3D打印的應(yīng)用范圍則會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。
與傳統(tǒng)制造業(yè)的CNC數(shù)控加工等“減材制造技術(shù)”相比,3D打印技術(shù)的的魅力主要在于可直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件, 可以為復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬零部件免去開(kāi)發(fā)開(kāi)模環(huán)節(jié),縮短新品開(kāi)發(fā)周期,節(jié)省出更多的人力、財(cái)力和時(shí)間,具有制造成本低、研制周期短、 生產(chǎn)效率高等明顯優(yōu)勢(shì)。此外,不受傳統(tǒng)加工手段制約,生產(chǎn)形狀復(fù)雜、尺寸微細(xì)、難于制造的零件也是3D打印技術(shù)的強(qiáng)項(xiàng)。
金屬3D打印需要克服的難點(diǎn)一個(gè)是高溫,因?yàn)榻饘俨牧先埸c(diǎn)較高;另一個(gè)就是高應(yīng)力,因?yàn)榻饘俨牧峡焖倮鋮s凝固過(guò)程中內(nèi)應(yīng)力很大;除此之外, 組織及性能控制方面也是一大難點(diǎn),因?yàn)榻饘?D打印部件是要直接使用的,不像非金屬材料模型,而一旦使用就涉及到部件的機(jī)械強(qiáng)度。需要控制好微觀組織, 才能達(dá)到力學(xué)性能要求,最終才能實(shí)現(xiàn)真正的應(yīng)用。