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最新研究成果:可重复使用的3D金属打印基板

2015-08-07 09:44
魏丁小陆
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  一篇来自美国密歇根理工大学开放可持续技术(MOST)实验室的研究人员Amberlee S. Haselhuhn、Bas Wijnen、Gerald C. Anzalone、Paul G. Sanders和Joshua M. Pearce发表的一篇论文在最近引起了业界不小的重视。这篇名为《气体金属弧焊金属3D打印的基板解除系统的原位生成(In Situ Formation of Substrate Release Mechanisms for Gas Metal Arc Weld Metal 3-D Printing)》的论文主要讨论了金属3D打印工艺中基板去除的问题,他们指出制作和采用可重复使用的基板是十分可行的。研究人员专门研究在气体金属弧焊金属3D打印过程中一块基板的重新使用。通过该项研究制造出来的解除系统非常适合在气体金属弧焊(GMAW)技术中使用。在这里GMAW被认为是一种更加经济实惠的金属3D打印形式,在该技术中,由气体保护的金属焊丝通过一个由电极加热的可消耗喷嘴给料,而热量来自于焊丝和基板之间生成的电弧。

基板与金属3D打印对象界面的微观图像

  在这次研究中,研究人员利用了专门针对GMAW技术的开源式3D打印机,在这台机器上一个三轴的台子被用来固定基板,而焊机则用于熔化铝或者钢材进行逐层3D打印。通过这样的描述我们不难想象,成品的结果一定会有基板牢牢结合在一起。

  “正如你们所知,金属3D打印总是需要后期处理。因为最起码,你需要通过切割把打印的金属部件从金属基板拿下来。”密歇根理工大学副教授Joshua M. Pearce博士称,“目前,我们已经解决了铝和钢的问题,这里需要使用几种技术,其中包括改变覆盖气体、表面预处理和基板的选择,以引起金属间化合物——因此,我们只需用一把锤子就能把3D打印对象从基板上敲下来,而这个基板也可以重新使用”。

  针对这样的“结合”,研究人员就是希望找到重复利用的有效办法和合适材料。研究中,他们通过分析孔隙率、硬度遍历,以及弹性和剪切模量的测定,选择了氧化铝、氮化硼、氮化钛三种不同材料用于3D打印铝金属的基板解除实验。研究人员通过操纵焊接级氩保护气体和RC25(这是一种含有25%二氧化碳的混合气体,用作3D打印钢的时候的一种“覆盖气体”)保护气体,找出了如何减少和修正粘连问题的方法。关于不同基板的研究,研究人员对每个“处理条件”分别准备了5个样本。在3D打印铝时使用了一系列的材料,并分别分为涂覆和未涂覆作为对照。而针对钢的基板所有的都没有涂覆。在3D打印过程中使用的是标准的铝和钢制线材。

交替3D打印路径以提高质量

  在金属3D打印过程中,研究人员会变更3D打印路径以提高打印质量,在打印铝金属的时候,每层之间有60秒的停顿;在3D打印钢的时候与之类似但是方法却有所变化。对于这一点,研究人员在他们的论文中称:“所有使用的基板解除系统都最小化了焊接渗透,并且在与基板衔接的地方形成了一个比较脆的区域,这样只需以最小的冲击就能将样品从基板上去除。”通过这种技术,再加上允许层冷却,然后再用水进行淬火,研究人员发现基板在这样的情况下更容易被除去。研究人员使用数显卡尺等对每组五个样品都进行了试验和测量,他们发现从基板上去除3D打印金属部件而不折断任何层,打印对象也没有产生翘曲,基板在此过程中相对没有受到影响,而剩下的材料仍然保持着“清洁和光泽。”经过检查孔隙后,数据显示整体的孔隙率低于百分之五,而钢基板样品中的孔隙率则稍微低一点。

铝质(左)和钢质(右)基板

  此外,研究人员还可以通过打印设置,以及操纵和促进氧化物的释放,还有促进铝-铁化合物的形成等方法使得铝质样品更容易从钢质基板上去除,而且并不需要切割工具。人们发现,氧化铝、氮化硼和氮化钛是相对较为有效的脱模剂。总体而言,这些研究成果对于那些使用金属材料进行3D打印的企业工厂,无论是小型企业还是大型工业实体,都会有所很大的帮助。这样的技术方法不仅会使整个金属3D打印过程更加简单,并且,可重复使用的基板也帮助用户节省了更多的资源成本。

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