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全新技术震撼亮相 金属打印能力全面提升

2016-01-13 09:16
孤身万里游
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  我们已经知道,金属3D打印市场是整个3D打印领域中增长最快的部分。然而当前的金属3D打印工艺并不是非常理想的。众所周知,我们常见的金属3D打印技术需要使用高密度能量,比如激光或者电子束,来根据预先确定的形状熔融打印床上的金属粉体,并创建出3D结构。尽管这种方法能够生成极强的金属3D结构,但是它也有缺点。比如:它的成本非常昂贵而且耗时;尚不能生成某种类型的结构,比如空心或者封闭的对象;它还受到可使用的金属或者合金类型的限制。

  当前的金属3D 打印工艺

  为此,美国西北大学的研究团队近日开发出了一种全新的方法来实现金属3D打印。据称这种方法更便宜、更快,而且为全新的金属材料和结构可能性敞开了大门。据了解,这种方法不使用粉末床和能量束。而是使用研究团队发明一种由金属或混合金属粉末、溶剂和弹性体粘结剂制成的液体油墨。这种油墨可以在室温下通过一个喷嘴迅速挤出,就像普通的FDM 3D打印机那样。而一旦挤出,这种液体油墨会瞬间凝固,就可以迅速创建出比较大的对象,而且由于它们还没有被加热,可以立即进行处理。

  第二步是将其放到一个简单的窑炉里对已经形成的3D结构进行加热,并融化这些粉末。这一过程被称为烧结,因为粉末并没有真正融化就已经永久结合在了一起。“我们的方法将整个过程拆解为打印和烧结两个部分,看来似乎更加复杂了。”该校材料科学与工程教授David Dunand说:“但是,事实上,它解放了我们,因为与相结合的方法相比,每一步都是变得容易得多。”

  而且,作为一种更快、更具成本效益的解决方案,这种新型的金属3D打印工艺可以创建出比之前的金属3D打印技术更加复杂的结构。

  而且这种更加复杂的结构的创建得益于医用高分子材料的使用,这种材料使得3D对象在其实际被加热之前可以高度折叠和弯曲——在这一阶段,该3D对象被称为绿体(green body)。它们可以达到数百层厚而不会坍塌。“其他的粘合剂不会使3D打印对象具有这样的属性。我们的3D打印对象可以在过火前被操纵,这样就使我们能够创建出在很多金属3D打印技术中无法实现的体系结构。”该项研究的领导者,该校材料与科学工程助理教授Ramille Shah解释说。

  Ramille Shah教授和David Dunand教授

  其次,在传统的金属3D打印过程中,逐层进行激光加热的方法会在不同的区域产生加热和冷却的应力,从而导致不良的微观结构和完成对象中的缺陷。而研究团队的新方法则是在窑炉内一次加热整个“绿体”,确保了均匀温度和致密结构的烧结,不会产生翘曲和开裂。

  “对我来说,作为一位冶金学家,我很惊讶这个结构没有变形或裂开,尽管在致密化的过程中导致了广泛的收缩。”Dunand说:“这可不是我经常会看到的东西。”

  而且,在这种新工艺中,可以一次使用许多挤出喷嘴,高达数米宽的板材可以快速3D打印出来并折成3D结构——唯一的限制是窑炉的尺寸。

  到此为止,您是不是已经对这种全新的金属3D打印工艺很满意了?但是还不止于此,西北大学的科学家们还发现了这种工艺的另一新用途:它还可以3D打印与金属氧化物,比如铁锈等。尽管在普通人看来,铁锈似乎不那么讨人喜欢。但是实际上与纯铁粉相比,铁锈粉更轻、更稳定、更便宜和处理起来更安全。

  使用这种新的工艺,研究人员可以使用铁锈或者其他金属氧化物进行3D打印,然后用氢将这些金属氧化物还原成纯的金属,最后再放到窑炉里进行加热烧结。看起来使用铁锈或者其他金属氧化物进行3D打印的过程似乎复杂了一些,但是要知道,铁锈与纯铁粉的价格可是天差地别的。

  科学家们称,这种新型的金属3D打印工艺可以用于3D打印电池、固体氧化物燃料电池、医疗植入物、航空航天和飞机零部件等等。他们认为这代表着金属3D打印技术朝着主流应用迈出的重要一步。

  这项研究发表在了《Advanced Functional Materials》杂志上,博士后研究员Adam Jakus、研究生Shannon L. Taylor和本科生Nicholas R. Geisendorfer共同撰写了该论文。

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