De doorbraak van metaal 3D-printmateriaal is de basis voor ontwikkeling
Metalen 3D-printmaterialen vormen een belangrijke materiële basis voor de ontwikkeling van metalen 3D-printtechnologie. De ontwikkeling van materialen bepaalt mede of 3D-printen breder kan worden toegepast. Op dit moment omvatten metalen 3D-printmaterialen voornamelijk technische kunststoffen, lichtgevoelige harsen, rubbermaterialen, metalen materialen en keramische materialen. veld is toegepast. Deze grondstoffen die worden gebruikt bij het 3D-printen van metaal, zijn speciaal ontwikkeld voor 3D-printapparatuur en -processen van metaal, die verschillen van gewone kunststoffen, gips, harsen, enz., en hun vormen zijn over het algemeen poederachtig, filamenteus, lamellair en vloeibaar. wachten. Meestal, afhankelijk van het type printapparatuur en de bedrijfsomstandigheden, varieert de deeltjesgrootte van de gebruikte 3D-printmaterialen in poedervorm van 1 tot 100 μm, en om een goede vloeibaarheid van het poeder te behouden, moet het poeder over het algemeen een hoge mate van sfericiteit. .
Het onderzoek en de ontwikkeling en doorbraak van metalen 3D-printmaterialen vormen de basis voor de promotie en toepassing van metalen 3D-printtechnologie, en ook de fundamentele garantie voor bevredigend printen. Een daarvan is het versterken van het onderzoek en de ontwikkeling van materialen en het vormen van een compleet drukmateriaalsysteem. De afgelopen jaren hebben metalen 3D-printmaterialen zich snel ontwikkeld. In 2013 steeg het printen van metalen materialen met 28 procent en in 2014 bereikte het meer dan 30 procent, goed voor ongeveer 12 procent van de metalen 3D-printmaterialen. Metalen materialen zijn voornamelijk titanium, aluminium, staal en nikkel. Titaniumlegeringen, hogetemperatuurlegeringen, roestvrij staal, matrijsstaal, hoogwaardig staal, gelegeerd staal en aluminiumlegeringen kunnen worden gebruikt als drukmaterialen en worden veel gebruikt bij de fabricage en reparatie en herfabricage van apparatuur. Er is momenteel echter geen materiaalsysteem voor metaal 3D-printen en de bestaande materialen voldoen bij lange na niet aan de behoeften van 3D-metaalprinten.
De materialen die worden gebruikt voor laserstereovorming zijn voornamelijk metalen inerte materialen en de volgende stap is om andere actieve metalen printmaterialen te proberen. Metaalpoeders die traditioneel in poedermetallurgie worden gebruikt, kunnen niet volledig voldoen aan de eisen van 3D-printen, en momenteel zijn er weinig soorten metaalmaterialen die kunnen worden gebruikt voor printen, en de prijs is relatief hoog. Er zijn een paar buitenlandse bedrijven geweest die gespecialiseerd zijn in metaalpoeder voor 3D-printen, zoals Sulzer Metco in de Verenigde Staten en Sandvik in Zweden, maar die kunnen maar een paar conventionele metaalpoeders leveren. Onderzoek en ontwikkeling van binnenlands materiaal loopt relatief achter en drukpoeder is te duur. Omdat de materiële onderzoeks- en ontwikkelingscyclus lang is en het onderzoek en de ontwikkeling moeilijker is dan die van apparatuur, aarzelen ondernemingen om materieel onderzoek en ontwikkeling uit te voeren om de belangen te maximaliseren. Huanghe Cyclone Co., Ltd. is een van de weinige binnenlandse ondernemingen die zich bezighouden met de productie van diamantmicropoeder en CBN-micropoeder. Universitair onderzoek is ook enthousiast over 3D-printapparatuur en -software, dus printmaterialen beperken grotendeels de ontwikkeling en toepassing van 3D-printtechnologie voor metaal.
Metaal poeders
Metaalpoeders die bij 3D-printen worden gebruikt, vereisen over het algemeen een hoge zuiverheid, een goede bolvorm, een smalle deeltjesgrootteverdeling en een laag zuurstofgehalte. Momenteel omvatten de metaalpoedermaterialen die bij 3D-printen worden gebruikt voornamelijk titaniumlegeringen, kobalt-chroomlegeringen, materialen van roestvrij staal en aluminiumlegeringen, naast goud, zilver en andere edelmetaalpoedermaterialen die worden gebruikt voor het printen van sieraden. 3D-printen van metaalpoeder, als belangrijkste schakel in de keten van metalen onderdelen in de 3D-printindustrie, is ook waar de grootste waarde ligt.
Op de "2013 World 3D Printing Technology Industry Conference" gaven gezaghebbende experts in de wereld van de 3D-printindustrie een duidelijke definitie van 3D-printmetaalpoeder, dat verwijst naar de groep metaaldeeltjes waarvan de grootte kleiner is dan 1 mm. Inclusief enkel metaalpoeder, legeringspoeder en wat vuurvast samengesteld poeder met metaalachtige eigenschappen. Op dit moment omvatten 3D-printmetaalpoedermaterialen kobalt-chroomlegering, roestvrij staal, industrieel staal, bronslegering, titaniumlegering en nikkel-aluminiumlegering, enz. Naast een goede plasticiteit moet 3D-printmetaalpoeder echter ook voldoen aan de vereisten van fijn poederdeeltjesgrootte, smalle deeltjesgrootteverdeling, hoge sfericiteit, goede vloeibaarheid en hoge bulkdichtheid.
3D-printen van titaniumlegering
Titaniumlegering heeft de voordelen van hoge temperatuurbestendigheid, hoge corrosieweerstand, hoge sterkte, lage dichtheid en biocompatibiliteit, en wordt veel gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, de chemische industrie, de nucleaire industrie, sportartikelen en medische apparatuur en andere gebieden. Onderdelen van titaniumlegering die zijn vervaardigd met traditionele smeed- en giettechnieken, worden veel gebruikt in hightech-gebieden. De hoeveelheid titanium die in een Boeing 747-vliegtuig wordt gebruikt, bereikt 42,7 ton. De productie van grote onderdelen van titaniumlegering door middel van traditionele smeed- en gietmethoden heeft de bredere toepassing ervan echter belemmerd vanwege ongunstige factoren zoals hoge productkosten, ingewikkeld proces, lage materiaalbezettingsgraad en moeilijke daaropvolgende verwerking. 3D-printtechnologie met metaal kan deze problemen fundamenteel oplossen, dus deze technologie is de afgelopen jaren een nieuwe technologie geworden voor het rechtstreeks vervaardigen van onderdelen van titaniumlegering. De ontwikkeling van nieuwe op titanium gebaseerde legeringen is de hoofdrichting van het toepassingsonderzoek van SLM van titaniumlegering. Vanwege de lage rekhardingsindex van titanium en titaniumlegeringen (ongeveer 0.15), zijn de weerstand tegen plastische afschuifvervorming en slijtvastheid slecht, wat het gebruik van de onderdelen bij hoge temperaturen en corrosieve slijtage beperkt.
RVS 3D printen
Roestvrij staal heeft de kenmerken van chemische corrosieweerstand, hoge temperatuurbestendigheid en goede mechanische eigenschappen. Vanwege de goede poedervormbaarheid, het eenvoudige voorbereidingsproces en de lage kosten is dit het vroegste materiaal dat wordt gebruikt bij het 3D-metaalprinten. Huazhong University of Science and Technology, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Northeastern University en andere instellingen hebben bijvoorbeeld diepgaand onderzoek gedaan naar 3D-printen van metaal. Het huidige onderzoek is vooral gericht op het verminderen van de porositeit, het vergroten van de sterkte en het sferoïdiserende mechanisme van metaalpoeder in het smeltproces. Li Ruidi et al. gebruikte verschillende procesparameters om SLM-vormtesten uit te voeren op 304L roestvrij staalpoeder, verkreeg een empirische formule voor de dichtheid van 304L roestvrij staal en vatte het korrelgroeimechanisme samen.
3D printen van superlegeringen
Superlegeringen verwijzen naar een klasse van metaalmaterialen op basis van ijzer, nikkel en kobalt die lange tijd kunnen werken bij hoge temperaturen boven 600 graden en onder bepaalde stressomgevingen. Het heeft een hoge temperatuursterkte, goede thermische corrosie- en oxidatieweerstand en goede plasticiteit en taaiheid. Op dit moment kan het, afhankelijk van het type legeringsmatrix, grofweg worden onderverdeeld in drie typen: op ijzer gebaseerde, op nikkel gebaseerde en op kobalt gebaseerde legeringen. Legeringen voor hoge temperaturen worden voornamelijk gebruikt in krachtige motoren. In moderne geavanceerde vliegtuigmotoren is de hoeveelheid hogetemperatuurlegeringsmaterialen goed voor 40 tot 60 procent van de totale massa van de motor. De ontwikkeling van moderne krachtige vliegtuigmotoren stelt steeds hogere eisen aan de gebruikstemperatuur en prestaties van superlegeringen. Het traditionele metallurgische proces voor ingots heeft een langzame afkoelsnelheid, ernstige segregatie van bepaalde elementen en tweede fasen in de ingot, slechte hete verwerkbaarheid, ongelijke structuur en onstabiele prestaties. Metaal 3D-printtechnologie is een nieuwe methode geworden om het technische knelpunt bij de vorming van superlegeringen op te lossen. NASA beweerde dat tijdens de ontstekingstest bij hoge temperatuur die op 22 augustus 2014 werd uitgevoerd, het mondstuk van de raketmotor, vervaardigd met metalen 3D-printtechnologie, een recordstoot van 9 ton produceerde.
3D-printen van aluminiumlegeringen
Als de lichtste structurele legering heeft aluminiumlegering de mogelijkheid om staal en aluminiumlegeringen in veel toepassingsgebieden te vervangen vanwege de speciale hoge sterkte en dempende eigenschappen. De lichtgewicht toepassing van aluminiumlegeringen in auto- en vliegtuigonderdelen kan bijvoorbeeld het brandstofverbruik en de uitlaatemissies verminderen. Aluminiumlegering heeft in-situ afbreekbaarheid, lage Young-modulus, sterkte dicht bij menselijk bot, uitstekende biocompatibiliteit en heeft meer toepassingsmogelijkheden dan traditionele legeringen bij chirurgische implantatie.
Sinds de opkomst van de 3D-printtechnologie voor metaal in de jaren 1990, heeft het printen van polymeermaterialen zich geleidelijk geconcentreerd op het printen van metaalpoeders en is er een groot aantal nieuwe technologieën, nieuwe apparatuur en nieuwe materialen ontwikkeld en ontwikkeld. toegepast. Op dit moment blijft het tempo van de informatietechnologie-innovatie toenemen en gaat de industriële productie een nieuwe fase van intelligentie en digitalisering in. In 2014 stelde Duitsland het ontwikkelingsplan "Industrie 4.0" voor, dat ongetwijfeld ontwrichtende veranderingen en innovaties op industrieel gebied zal veroorzaken, en 3D-printtechnologie zal een krachtige impuls zijn voor de ontwikkeling van industriële intelligentie. Metaalpoeder 3D-printtechnologie heeft bepaalde resultaten opgeleverd, maar het materiaalknelpunt zal onvermijdelijk de promotie van 3D-printtechnologie beïnvloeden, en 3D-printtechnologie stelt hogere eisen aan materialen. Er zijn veel soorten metalen materialen die geschikt zijn voor industrieel 3D-printen, maar alleen speciale poedermaterialen kunnen voldoen aan de eisen van industriële productie.
De toekomstige ontwikkelingsrichting van 3D-printen van metalen materialen heeft voornamelijk drie aspecten:
Een daarvan is hoe het onderzoek naar de relatie tussen materiaalstructuur en eigenschappen op basis van bestaande materialen kan worden versterkt, de procesparameters verder kunnen worden geoptimaliseerd op basis van de eigenschappen van materialen, de printsnelheid kan worden verhoogd, de porositeit en het zuurstofgehalte kunnen worden verminderd en de oppervlaktekwaliteit kan worden verbeterd;
De tweede is het ontwikkelen van nieuwe materialen om ze geschikt te maken voor 3D-printen van metaal, zoals het ontwikkelen van nieuwe materialen met uitstekende corrosieweerstand, hoge temperatuurbestendigheid en uitgebreide mechanische eigenschappen;
De derde is het herzien en verbeteren van het technische standaardsysteem van 3D-printen van metaalpoedermaterialen om de institutionalisering en normalisatie van technische standaarden voor het printen van metaalmateriaal te realiseren.