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非晶3D打印:3D打印体系中最为前沿和最有潜力的技术

2017-05-03 05:27
flinay
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金属零件3D打印技术作为整个3D打印体系中最为前沿和最有潜力的技术,是先进制造技术的重要发展方向。虽然现在金属3D打印很热,有很多企业和政府也纷纷上马或推广金属3D打印项目,但真正用金属3D打印做出产品的较少。这里面关键问题还是技术问题,打印速度和精度、打印精度和强度等相互矛盾的技术指标困扰着制造商和最终用户,当然还有操作专业性强、原材料昂贵等问题,最终让他们保持观望态度。在现阶段技术条件下,发展金属3D打印的智能化和增减复合技术是有效地解决目前存在弊端的关键,是未来金属3D打印的重要发展方向。

为什么会盯着非晶3D打印?

处于亚稳态的非晶合金需要在较快的冷却速率下才能获得,而目前通常采用的铜模铸造法只能制备出临界尺寸较小的非晶合金。另外,由于块体非晶合金存在严重的室温脆性问题,其在室温下难以进行机械加工。复杂形状构件的模具无法或很难加工制造,导致难以获得精密复杂的非晶合金构件,这成为制约非晶合金应用的另一个瓶颈。因此,如何突破非晶合金临界的尺寸限制和复杂构件的制备加工是扩展其在相关领域应用的关键。

近年来,激光3D打印技术的迅猛发展为解决上述难题提供了契机。激光3D打印技术属于快速成形技术的一种,与传统的切削等机械加工技术不同,激光3D打印技术是一种以数字模型文件为基础的“增材制造”技术,是一种具有“变革性”意义的数字化、短周期、低成本的先进制造技术。由于激光3D打印技术是一种逐点离散熔覆沉积的成型方法,其每点的所受激光加热面积较小,熔池的热量可以迅速向基体扩散,使得激光熔池的冷却速率远大于非晶合金的临界冷却速率,使得熔池在冷凝的过程中可以避免发生晶化,进而获得非晶态,这为无尺寸限制地制备非晶合金提供可能。另外,激光3D打印是以金属粉末为原材料,通过高能激光束对金属粉末逐层熔化堆积,直接由数字模型一步完成全致密、高性能、复杂金属零件的“近终成形”制造,这为制备复杂的非晶合金构提供理想的手段。

因此,针对目前非晶合金所面临的尺寸较小和难以制备加工复杂构件的问题,激光3D打印技术是最有可能解决上述问题,并实现非晶合金大规模应用的技术。

国内外进展:

1)我国非晶3D打印研究有进展

我国在非晶3D打印研究较早,且取得一定成果。西北工业大学的杨高林等人采用预置粉末的方式激光3D打印Zr基非晶合金,研究发现,制备的7层小尺寸Zr基非晶合金中非晶相的含量可以达到92% (体积比)。太原理工大学的干宇采用预置粉末的方式激光3D打印Zr基非晶合金,在非晶合金的中上部,化学成分相对分布均匀,接近设计的理想组分。华中科技大学的柳林教授课题组采用激光选区激光3D打印技术成型Fe基非晶合金,他们采用激光在线退火以及材料复合等手段抑制裂纹的产生。大连交通大学的吕云卓等人采用同轴送粉激光3D打印技术成型Zr基非晶合金,他们采用打印非晶合金复合材料的方法抑制裂纹。

2)美国非晶3D打印即将走向商业化

美国俄亥俄州立大学从2008年就开始研究非晶合金的激光3D打印技术,并已经在Cu基和Zr基非晶合金的3D打印上取得进展。日前,美国加州理工大学在非晶合金3D打印上取得较大进步,并已获批发明专利,其制造非晶态金属的方法为是将第一层金属合金表面高温熔融,迅速冷却这层熔融金属合金,凝固形成非晶态金属的第一层;然后在此基础上进行下一层的加工。在这个过程中使用的是“喷涂技术”应用至每一层,包括等离子喷涂、电弧喷涂等方法。“喷涂技术”可以使用的原材料包括:金属丝和金属粉末。随着加州理工大学的此项专利获批,该技术正式进入商业化阶段。

3)日本非晶3D打印有销售目标

2004年,日本田中控股株式会社,开发了用于3D打印的铂基非晶合金的粉末,并在激光3D打印成型铂基非晶合金方面方面获得成功,属全球首创。同时,田中贵金属工业也开发出分别添加铂、铱的镍基合金铂族金属粉末材料,并在造型产品的制作方面取得成功。另外,田中贵金属工业通过与日本大阪府立产业技术综合研究所合作研究,探明与粉末材质及形状相适应的激光能量照射条件,从而在分别添加铂、铂基非晶合金的造型产品制作方面取得了成功。田中贵金属工业将提供3D打印机用铂族金属粉末材料,并制定了在2020年度达成每年4亿日元的销售目标。

4)瑞典非晶3D打印拥有专门设备

瑞典科技创业公司Exmet是从2016年起与德国材料巨头贺利氏合作研发非晶态金属3D打印技术,与加州理工大学所使用的DED技术不同的是,Exmet在工厂中配备了一台EOS M 290 金属3D打印机,用于制造高性能的非晶态金属零部件。

5)澳大利亚非晶3D打印受困于晶化

澳大利亚西澳大学利用选区熔化激光3D打印技术制备Al基非晶合金,研究发现,尽管使用合适的工艺参数可以获得具有较高致密度和较好力学性能的Al基非晶合金,和中国部分科研工作一样,在具体工作中无法避免晶化的发生。

6)德国非晶3D打印出铁基零部件

德国科学家利用激光选区熔化方法成功实现具有复杂形状的Fe基非晶合金的激光3D打印,但是所制备的非晶合金在成型零件的拐角处以及形状较为复杂的部位仍然发现晶化。

非晶3D打印技术优缺点及国内外研究着力点

非晶3D打印技术和非晶合金材料性质有相似:优点突出,缺点也十分明显。优点:突破非晶合金尺寸限制;实现复杂非晶合金构件制备;制造复杂非晶合金制品不增加成本;制备非晶合金周期短,制造流程简单;减少废弃副产品。缺点:晶化相难以避免;存在缺陷;成分不均匀;后续仍需额外工艺。

今年来,《非晶中国产业资讯》走访或者以交流形式对接以色列、日本等国,以及国内的深圳、上海、北京、西安等地,就非晶3D打印技术进行专项调研。和国外相比,我国此项技术研发起步较早,有一定技术积累。我们优势是,从事团队较多,技术不断有进展。不足的是,我国很多技术还处于起步阶段,部分研究或多或少有跟随或者跟风式模仿。国外非晶3D打印研究,更加注重有效性,注重产业化方向。我们发现,除了有科研人员参与外,更多的3D打印企业工程技术人员加入,是一个跨学科、跨部门、跨人员工作性质的团队在做这项工作。

非晶3D打印未来趋势

将3D打印技术应用于块体非晶合金的制备,是突破非晶合金临界的尺寸限制和实现复杂非晶合金构件制备的可行方法,有可能是非晶产业下一个“雄安”。然而目前利用3D打印技术制备非晶合金的致命问题是成型的非晶合金内部存在裂纹以及孔洞等缺陷,这对于受力器件很难利用。非晶基复合材料可以改善非晶合金的一些性能缺陷,尤其是可以提高非晶合金的室温塑性,近年来已经成为非晶合金研究领域的热点。因此,未来利用3D打印技术成型非晶基复合材料是实现其实用化的突破口之一。

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