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3D打印材料之金属粉末大观

  3D打印学名为“增材制造”,跟“减材制造”正好相反,它并不是一项暂新的技术,其实它已经在工业制造领域默默奉献了近30年,是快速成型技术的一种,被誉为“第三次工业革命”的核心技术。总的来说,物体成型方式主要有四种:减材成型、受压成型、增材成型、生长成型。

 减材成型指的是运用分离技术把多余的材料有序地从基体上剔除出去,如传统的车、铣、磨、钻、刨、电火花和激光切割都属于减材成型。

受压成型指的是主要利用材料的可塑性在特定的外力下成型,传统的锻压、铸造、粉末冶金等技术都属于受压成型。受压成型多用于毛坯阶段的模型制作,也有直接用于手工件成型的例子,如精密铸造、精密锻造等净成型都属于受压成型。

增材成型也叫堆积成型,主要利用机械、物理、化学等方法,通过有序地添加材料堆积成型的方法。

生产成型指的是利用材料的活性进行成型的方法,自然界中的生物个体发育都属于生长成型,随着活性材料、仿生学、生物化学和生命科学的发展,生长成型技术得到了长足的发展。

3D打印技术从狭义上来说主要是指增材制造技术,从成型工艺上来看,3D打印技术突破了传统成型方法限制,通过快速自动成型系统与计算机数据模型相结合,无需任何附加的工艺模具制造和机械加工就能制造出各种形状复杂的原型,使得产品的设计生产周期大大缩短,生产成本大幅下降。

3D打印凭借其独特的制造技术,让我们得以生产前所未有的各类物品,并为企业减少成本、缩短工时以及去除复杂工艺,3D打印技术真正的优势在于其打印材料,可以很好地模仿塑料与金属材料的机械或者热能属性,然而这也是当前制约3D打印发展的一大技术原因。这里简要介绍当前3D打印材料的发展现状以及存在的问题。

由于3D打印制造技术完全改变了传统制造工业的方式和原理,是对传统制造模式的一种颠覆,因此,3D打印材料成为限制3D打印发展的主要瓶颈,同时也是3D打印突破创新的关键点和难点所在,只有进行更多新材料的开发才能拓展3D打印技术的应用领域。目前,3D打印材料主要包括聚合物材料、金属材料、陶瓷材料和复合材料等。

3D打印材料是3D打印技术发展的重要物质基础,在某种程度上,材料的发展决定着3D打印能否有更广泛的应用。目前,3D打印材料主要包括工程塑料、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、人造骨粉、细胞生物原料以及砂糖等食品材料也在3D打印领域得到了应用。下面我们将主要从金属材料进行分析。

目前,大多数3D打印耗材是塑料,而金属良好的力学强度和导电性使得研究人员对金属物品的打印极为感兴趣。
不锈钢是最廉价的金属打印材料,经3D打印出的高强度不锈钢制品表面略显粗糙,且存在麻点。不锈钢具有各种不同的光面和磨砂面,常被用作珠宝、功能构件和小型雕刻品等的3D打印。

1.黑色金属
    (1)不锈钢
不锈钢(Stainless Steel)是不锈耐酸钢的简称,耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质或具有不锈性的钢种称为不锈钢;而将耐化学腐蚀介质(酸、碱、盐等化学浸蚀)腐蚀的钢种称为耐酸钢。由于两者在化学成分上的差异而使他们的耐蚀性不同,普通不锈钢一般不耐化学介质腐蚀,而耐酸钢则一般均具有不锈性。

(2)高温合金
高温合金具有优异的高温强度,良好的抗氧化和抗热腐蚀性能,良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能,已成为军民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的关键材料。

高温合金因其强度高、化学性质稳定、不易成型加工和传统加工工艺成本高等因素已成为航空工业应用的主要3D打印材料。随着3D打印技术的长期研究和进一步发展,3D打印制造的飞机零件因其加工的工时和成本优势已得到了广泛的应用。

2.有色金属
    (1)钛
钛金属外观似钢,具有银灰光译,是一种过渡金属,在过去一段时间内人们一直认为它是一种稀有金属。钛并不是稀有金属,钛在地壳中约占总重量的0.42%,是 铜、镍、铅、锌的总量的16倍。在金属世界里排行第七,含钛的矿物多达70多种。钛的强度大,密度小,硬度大,熔点高,抗腐蚀性很强;高纯度钛具有良好的可塑性,但当有杂质存在时变得脆而硬。

采用3D打印技术制造的钛合金零部件,强度非常高,尺寸精确,能制作的最小尺寸可达1mm,而且其零部件机械性能优于锻造工艺。英国的Metalysis公司利用钛金属粉末成功打印了叶轮和涡轮增压器等汽车零件。此外,钛金属粉末耗材在3D打印汽车、航空航天和国防工业上都将有很广阔的应用前景。

(2)镁铝合金
镁铝合金因其质轻、强度高的优越性能,在制造业的轻量化需求中得到了大量应用,在3D打印技术中,它也毫不例外地成为各大制造商所中意的备选材料。

(3)镓
镓(Ga)主要用作液态金属合金的3D打印材料,它具有金属导电性,其粘度类似于水,不同于汞(Hg),镓既不含毒性,也不会蒸发。镓可用于柔性和伸缩性的电子产品,液态金属在可变形天线的软伸缩部件、软存储设备、超伸缩电线和软光学部件上已得到了应用。

(4)稀贵金属
3D打印的产品在时尚界的影响力越来越大。世界各地的珠宝设计师受益最大的就是将3D打印快速原型技术作为一种强大且可以方便替代其他制造方式的创意产业。在饰品3D打印材料领域,常用的有金、纯银、黄铜等
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