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功能分级材料是快速有效的多材料3D打印的关键

导读: 在桌面3D打印机方面,已经能够在一个版本中使用多种材料进行打印,但工业3D打印也有许多多材料的开发。这包括复合材料,如纤维增强聚合物。但Aerosint公司的研发工程师Kevin Eckes博士表示,复合材料的“圣杯”是功能分级材料(FGM)。

最近3D打印行业的一个流行语是“多材质”。在桌面3D打印机方面,已经能够在一个版本中使用多种材料进行打印,但工业3D打印也有许多多材料的开发。这包括复合材料,如纤维增强聚合物。但Aerosint公司的研发工程师Kevin Eckes博士表示,复合材料的“圣杯”是功能分级材料(FGM)。

功能分级材料是快速有效的多材料3D打印的关键

去年秋天,Eckes向我们介绍了Aerosint在多材料粉末床3D打印方面的独特方法,他们在Medium上共享的内容中分享了更深入的视角。他最近与我们分享了他关于FGMs的最新作品。

“与传统的复合材料不同,传统的复合材料中,增强材料分布在整个基体材料中,FGMs是复合材料,其中两种材料通过渐变界面连接在一起,以避免两种散装材料之间出现明显的界限,”Eckes解释说。“创建这种渐变的目的是在一个更大的体积上分布热和机械应力,否则这些应力会集中在一个明显的材料边界并导致部件开裂或破损。”

FGM由于其抗失效性能,在高温、化学或机械应力的极端环境中非常有用,而单一材料部件可能会发生故障。FGM零件的一个例子是金属对陶瓷板,其中两种材料抵消彼此的弱点并增强彼此的优势。陶瓷本身是坚硬的、耐化学性和耐热性的,但它也脆且具有低冲击韧性。另一方面,金属具有很高的冲击韧性,但它很容易被强酸和碱腐蚀,加热时其机械性能受损。然而,把这两种材料放在一起,它们几乎是坚不可摧的。

功能分级材料是快速有效的多材料3D打印的关键

Eckes说:“金属对陶瓷的FGM能够承受陶瓷表面的高温和苛刻的化学环境,同时通过金属增强保持整体强度和抗脆性断裂的能力。”

日本国家航空航天科技实验室的研究人员首先开始使用金属陶瓷FGM试图为可重复使用的太空飞行器创造有效的耐用热障。他们发现,在镍基高温合金基体上由镍基超合金和稳定化氧化锆的成分梯度层组成的板可承受超过1000℃的热梯度而不会开裂。在相同的条件下,100%的镍高温合金涂覆100%的氧化锆和铬合金作为松弛层,以具有热疲劳特性。

金属对金属FGM也很有用。例如,钢铜FGM将低成本和高强度钢与铜的高导热性和导电性结合在一起。在最近的一个例子中,研究人员创建了一个注塑成型工具,该成型工具具有一个钢制成型表面和一个块状铜体,并与专有的缓冲层材料相连。由于铜的高电导率,模具冷却时间缩短了10秒,整体模具周期缩短了26%。该公司估计,提高生产力可以为他们每年节省大约60,000美元。

功能分级材料是快速有效的多材料3D打印的关键

也有聚合物对聚合物FGMs,其中刚性和柔性聚合物可以组合在一起,例如在机械手中具有柔性接头的刚性臂,或者耐磨聚合物可以接合到用于非金属轴承或运动部件的坚韧聚合物。

“研究文献中描述的用于创建FGM的大多数方法都只能创建1D梯度,这仅适用于有限数量的应用,例如耐用热障,”Eckes继续说道。“要创建具有完全3D自由度的多材料部件和FGM,我们需要在材料布局上进行体素级空间控制。目前市场上的几种AM技术都具有这种成分控制能力,但它们主要面向原型制造或一次性部件制造。”

Aerosint专注于多粉末沉积,其中粉末体素可选择性地从旋转鼓转移到构建表面。尽管迄今为止,Aerosint已经在理论上证明了两种粉末沉积,但是可以对许多材料进行图案化。材料可以是金属、聚合物或陶瓷,只要粉末的流动性和粒度分布与工艺兼容即可。

功能分级材料是快速有效的多材料3D打印的关键

“我们工艺中最根本的挑战是双材料整合或烧结,”Eckes说。“共熔烧结两种材料的熔融温度或烧结温度差异很大,存在明显的物理限制。尽管如此,许多研究人员已经通过审慎选择具有兼容性能的材料证明了金属-金属和金属-陶瓷共烧结。这些组合不是无限的,但我们认为它们足够丰富,可以创造出一系列有用的FGMs。”

根据Eckes的说法,多粉末沉积和双材料共烧结的结合是实现材料高效、快速的多材料3D打印的最有效方法之一。Aerosint正在与研究机构和学者建立合作伙伴关系,这些机构和学者在材料共烧结和金属、陶瓷3D打印方面具有专业知识。

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