金屬3D打印發展很熱

 

        金屬零件3D打（dǎ）印技術作為整個3D打印體（tǐ）係中最為前沿和最有潛力的技（jì）術，是先進製造技術的重要發展方向。

 

        雖然現在金（jīn）屬3D打印很熱，有很多企業和政府也紛紛上（shàng）馬或推廣金屬3D打印項目，但真正用金屬3D打印做出（chū）產品的較（jiào）少。這裏麵（miàn）關鍵問題還是技術問題，打印速度和精度（dù）、打印精度和強度等相互矛盾的（de）技術（shù）指標困擾著製（zhì）造商和最終用戶，當（dāng）然（rán）還有操作專業性強、原（yuán）材料昂貴等問題，最終讓（ràng）他（tā）們保持觀望態度（dù）。

 

        在（zài）現階段技術條件下，發展金屬3D打（dǎ）印的（de）智能化和增減複合技術（shù）是（shì）有效地解決（jué）目前存在弊端的關鍵，是未來金（jīn）屬3D打印的重要發展方（fāng）向。

 

為什麽會盯著非晶（jīng）3D打印？

 

        處於亞穩態的非（fēi）晶合金（jīn）需要在（zài）較快的冷卻速率（lǜ）下（xià）才能獲得，而（ér）目前通常采（cǎi）用的銅模鑄造法隻能製備出臨界尺寸較小的非晶合金。另外，由於塊體非晶合金存在嚴重的室溫脆性問題，其在室溫下難以進行機械加工。複雜形狀構件的模具無（wú）法或很難加工製造，導致難以獲（huò）得精密複雜的非晶合金構件，這成為製（zhì）約非（fēi）晶合金應用的另一個瓶頸。因此，如何突破非晶合金臨界（jiè）的尺寸限製和複雜構件的製備加工是（shì）擴展其在相關領域（yù）應用的關鍵（jiàn）。

 

        近年來（lái），激光3D打印技術的迅猛發展為解決上述難題提供了契機。激光3D打印技術屬於快速成形技術的一種，與傳統的（de）切削等機械（xiè）加工技術不（bú）同，激光3D打印技術是一種以數字模型文件（jiàn）為基（jī）礎的“增（zēng）材（cái）製造”技術，是一種（zhǒng）具有“變革性”意義的數字化、短周期、低成本的先進（jìn）製造技術。由於激光（guāng）3D打（dǎ）印技術是一（yī）種逐點離散（sàn）熔覆沉積的成型方法，其每點的所受激光加熱麵積較（jiào）小，熔池的熱量可以迅速（sù）向基體擴散，使得激光熔（róng）池的冷卻速率遠大於非晶合金的臨（lín）界（jiè）冷卻速（sù）率，使得熔池在冷（lěng）凝的過程中可以避（bì）免發生晶化，進而獲得非晶態，這為無尺寸限製地製備非晶合金提供可能。另外，激光3D打印是以金屬粉末為原材料，通過（guò）高能（néng）激光束（shù）對金屬粉末逐層（céng）熔化堆積，直接由數字模型一步完成全致密（mì）、高性能、複雜金屬零（líng）件的“近終成形”製造，這為製備複（fù）雜的非晶合金構提供理想的手段。

 

        因此，針對目（mù）前非晶合金所麵臨的尺寸較小和難以製備加工複雜（zá）構件的問題，激光（guāng）3D打印技術是最有可能解決上述問題，並實現（xiàn）非晶合金大規模應用的技術。

 

國內（nèi）外進展：

 

1）我國非晶3D打印研究有進展（zhǎn）

 

        我國（guó）在非晶3D打印研究較早，且取得一定成果。西北工業（yè）大學的楊高林等人采用預置（zhì）粉末的（de）方式激光3D打印Zr基非晶合金，研究發現，製備的（de）7層小尺寸Zr基非晶合金中非晶相的含量可以達到92% (體積比)。太原理工大學（xué）的幹宇采用預置粉末的方式激光3D打印Zr基非（fēi）晶（jīng）合金（jīn），在非晶合金的中上部，化學成分相對（duì）分布均勻，接近設計的理（lǐ）想組分。華中（zhōng）科技大學的柳林教授（shòu）課題組采（cǎi）用激光選區激光3D打印技術（shù）成型Fe基非晶合金，他們采用激光在線退火以及材料複合等手段（duàn）抑（yì）製（zhì）裂紋的產生。大連交通大學（xué）的呂雲卓等人采用同軸送粉（fěn）激光3D打印技（jì）術（shù）成型Zr基非（fēi）晶合金，他們采用打印非晶合金複合材（cái）料的方法抑製裂紋。

 

2）美國非（fēi）晶3D打印即將走向商業化

 

        美國俄（é）亥俄（é）州立大學從2008年就開始研究非（fēi）晶合金（jīn）的激光3D打印技術，並已經在Cu基（jī）和Zr基非（fēi）晶合金的3D打印上取得進展。日前，美國加州理工大（dà）學在非晶（jīng）合金（jīn）3D打（dǎ）印（yìn）上取得較大進步，並已獲批發明專（zhuān）利，其製造非晶態金屬的方法為是將第一層金（jīn）屬合金表麵（miàn）高溫熔融，迅速冷卻這層熔融（róng）金屬（shǔ）合金，凝固形成非晶態金（jīn）屬的（de）第一（yī）層；然後在（zài）此基礎上進行下一（yī）層的加工。在這個過程中使用的是“噴塗技術”應用至每一層，包括等離子噴塗、電弧噴塗等方法。“噴塗技術”可以使用的原材料包括：金屬絲和金屬粉末。隨（suí）著加州理工（gōng）大學的此項專（zhuān）利獲批，該技術正式進入商業化階段。

 

3）日（rì）本（běn）非晶3D打印有銷售目標（biāo）

 

        2004年，日本田中（zhōng）控股株式會社，開發了（le）用於3D打印的鉑（bó）基非晶合金的粉末，並（bìng）在激光3D打印成型鉑基非晶合金方麵方麵獲得成功，屬全球首創（chuàng）。同時，田中貴金屬工業也開發出（chū）分別添加鉑、銥的鎳基合金鉑族金屬粉末材（cái）料，並在造（zào）型產品的製作方麵取得成功。另外，田中貴金屬工業通過與日（rì）本大阪（bǎn）府立產業技術綜合研究所合作研（yán）究，探明與粉末材質及形狀相適應的激光（guāng）能量照射條件，從而在分別添加鉑、鉑基非（fēi）晶合金的造型產（chǎn）品製作方麵取得了成功。田中貴金（jīn）屬工（gōng）業將提供（gòng）3D打印機用鉑族金屬粉末材料，並製定了（le）在（zài）2020年度達成每年4億日元的銷售目標。

 

4）瑞典非晶3D打印擁有專門設備

 

        瑞典科技創業公司Exmet是從2016年起與德國（guó）材料巨頭（tóu）賀利氏合作研發非晶態金屬3D打印技術，與加州理工大學（xué）所使用的DED技術不同的是，Exmet在工廠中（zhōng）配備了一台EOS M 290 金屬3D打（dǎ）印機，用於製造高性能（néng）的非晶態金（jīn）屬零部件。

 

5）澳大（dà）利亞非晶3D打印受困於晶化

 

        澳大利亞西澳大學（xué）利（lì）用選區熔化激光3D打印技術製備Al基非晶合金，研究發現，盡管使用合適的工藝參數可（kě）以獲得具有較（jiào）高致密度和較好力學性能的Al基非晶合金，和中國部分科研工作一樣，在具體工作中無法避免晶化的發生。

 

6）德國非晶3D打印出鐵基零部件

 

        德國科學家利（lì）用激光選（xuǎn）區熔化方法成功實現具有複雜形狀的Fe基非晶合金的激（jī）光3D打印，但是所製備的非晶合金在成型零（líng）件的拐角處以（yǐ）及形狀較為複雜的部位（wèi）仍然（rán）發現晶化。

 

非晶3D打印技術優缺點及國內外研究著力點

 

        非晶3D打印技術和非（fēi）晶（jīng）合金材料性質有相似：優點（diǎn）突出，缺點也十分明顯。優點：突破非晶合金尺寸限製；實現複雜非晶合金構件製備；製造複雜（zá）非晶合金製品不增加成本；製備非晶合金（jīn）周期（qī）短，製造流程簡單；減少廢棄副產品。缺點：晶化（huà）相難以避免；存在缺陷；成分不均勻；後續仍需額外工藝。

 

       今年來，《非晶中國產業（yè）資訊》走訪或者以交流形式對接以色列、日本等國，以及國內的深圳、上海、北京、西（xī）安等地，就非晶3D打印技術進行專項調研。和國外相比，我國此項技術研發起步較早，有一定技術積累（lèi）。我（wǒ）們優（yōu）勢是，從事團（tuán）隊較多，技術不斷有進展。不足的（de）是，我國很多（duō）技（jì）術還處於起步階段，部分研究或多或少有跟隨或者跟風式模仿。國外非晶3D打印研究，更加注重有效性，注重產業化方向。我們發現（xiàn），除（chú）了有科研人員參與外，更多的3D打印企業工程技術人員（yuán）加（jiā）入，是一個跨學（xué）科（kē）、跨部門、跨人（rén）員工作性質的團（tuán）隊在（zài）做這項工作。

 

非晶3D打印未來（lái）趨勢（shì）

 

        將3D打印技術應用（yòng）於塊體非晶合金的製備，是（shì）突破非晶合金臨界（jiè）的尺寸限製和實現（xiàn）複雜非晶合金構件製備的可行方法，有可能是（shì）非晶產業下一（yī）個“雄（xióng）安”。然而（ér）目前利用3D打印技術製備非晶合金的致命問題是（shì）成型的非晶（jīng）合金內部存在（zài）裂紋以及孔洞等缺陷，這對於受力器件很難利用。非晶基複合材料可以改善非晶合（hé）金的一些性能缺陷，尤其是可以提高非晶合金的室溫塑性，近年來已經成為（wéi）非（fēi）晶合金研究領域的熱（rè）點。因此，未來利用3D打（dǎ）印技術成型非晶基複合材料是實現（xiàn）其（qí）實用化的突破口之一。