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金属3D打印材料,你了解多少?

字体: 】 中国塑料加工工业协会专家委员会转自:中国塑协专家委员会微信公众号  

2016/01/13

  虽然说3D打印在国内近几年热度才升起来,但就国际而言,3D打印发展早在20世纪80年代就已经兴起了。国际范围内,美国Argen Corporation(在牙科金属材料领域尤其有实力),美国Carpenter Technology,德国Concept Laser, 英国CPM,德国EOS,意大利Legor Group,英国LPW Technology,美国Pyrogenesis(在国防领域尤其擅长),瑞典Sandvik,德国SLM Solutions等企业在各自的金属打印领域提供了一系列的行业解决方案。相比国外,国内金属3D打印材料大部分依赖进口,价格昂贵,这也促使国内致力于3D打印金属材料的企业和机构自主研发金属3D打印材料。
  In where 金属3D打印材料 be used ?
  金属3D打印材料的应用领域相当广泛,例如,石化工程应用、航空航天、汽车制造、注塑模具、轻金属合金铸造、食品加工、医疗、造纸、电力工业、珠宝、时装等。
  但是,因为金属3D打印材料本身的材料属性,其都有特定的应用领域范围,因此,金属3D打印材料选择的过程是一个权衡多个因素的过程。而且,3D打印金属不能仅仅凭借金属3D打印机的参数来衡定,每种金属材料都有适合自身特性的极限点,包括应用、功能、稳定性、耐久性、美观性、经济性都是设计师要考虑的因素。
  现今,国内外金属3D打印机采用的金属粉末一般有:工具钢、马氏体钢、不锈钢、纯钛及钛合金、铝合金、镍基合金、铜基合金、钴铬合金等。
  1.工具钢和马氏体钢


  工具钢
  以工具钢和马氏体钢为例,工具钢的适用性来源于其优异的硬度、耐磨性和抗形变能力,以及在高温下保持切削刃的能力。模具H13热作工具钢就是其中一种,能够承受不确定时间的工艺条件;马氏体钢,以马氏体300为例,又称“马氏体时效”钢,在时效过程中的高强度、韧性和尺寸稳定性都是众所周知的。他们与其他钢不同,因为他们是不含碳的,属于金属间化合物,通过丰富的镍、钴和钼的冶金反应硬化。由于高硬度和耐磨性,马氏体300才适用于许多模具的应用,例如,注塑模具、轻金属合金铸造、冲压和挤压等,同时,其也广泛应用于航空航天、高强度机身部件和赛车零部件。
  2.不锈钢


  不锈钢
  不锈钢与碳钢不同,目前的铬含量不同,10.5%铬含量最低的钢合金,不锈钢不容易生锈腐蚀。目前,应用于金属3D打印的不锈钢主要有三种:奥氏体不锈钢316L、马氏体不锈钢15-5PH、马氏体不锈钢17-4PH。
  奥氏体不锈钢316L,具有高强度和耐腐蚀性,可在很宽的温度范围下降到低温,可应用于航空航天、石化等多种工程应用,也可以用于食品加工和医疗等领域。
  马氏体不锈钢15-5PH,又称马氏体时效(沉淀硬化)不锈钢,具有很高的强度、良好的韧性、耐腐蚀性,而且可以进一步的硬化,是无铁素体。目前,广泛应用于航空航天、石化、化工、食品加工、造纸和金属加工业。
  马氏体不锈钢17-4PH,在高达315℃下仍具有高强度高韧性,而且耐腐蚀性超强,随着激光加工状态可以带俩极佳的延展性。
  3.合金
  金属3D打印材料应用最为广泛的金属粉末合金主要有纯钛及钛合金、铝合金、镍基合金、钴铬合金、铜基合金等。
  1)纯钛及钛合金


  钛合金
  目前应用于市场的纯钛,又称商业纯钛,分为1级和2级粉体,2级强于1级,对于大多数的应用同样具有耐腐蚀性。因为纯钛2级具有良好的生物相容性,因此在医疗行业具有广泛的应用前景。
  钛是钛合金产业的关键。目前,应用于金属3D打印的钛合金主要是钛合金5级和钛合金23级,因为其优异的强度和韧性,结合耐腐蚀、低比重和生物相容性,所以在航空航天和汽车制造中具有非常理想的应用,而且,因为强度高、模量低、耐疲劳性强,应用于生产生物医学植入物。钛合金23级,纯度更高,是神级一样的牙科和医疗钛品级。

  2)铝合金


  铝合金
  目前,应用于金属3D打印的铝合金主要有铝硅AlSi12和AlSi10Mg两种。铝硅12,是具有良好的热性能的轻质增材制造金属粉末,可应用于薄壁零件如换热器或其他汽车零部件,还可应用于航空航天及航空工业级的原型及生产零部件;硅/镁组合使铝合金更具强度和硬度,使其适用于薄壁以及复杂的几何形状的零件,尤其是在具有良好的热性能和低重量场合中。
  3)镍基合金


  一般情况下,镍基合金都具有良好的抗拉伸、抗疲劳和抗热疲劳性能。目前,主要有Inconel 738、Hastelloy X、Inconel 625、Inconel 713、Inconel 718等。
  Inconel 738具有良好的高温蠕变断裂强度,抗热腐蚀性是较低铬含量的超合金,可长期暴露于高达920-980℃的高温腐蚀性的环境中,适用于飞机发动机、燃气轮机。
  Hastelloy X在高温下具有高强度和抗氧化性,在高达1200℃的环境中,也具有良好的延展性,目前,主要应用于航空航天技术中,例如燃气轮机部件和燃烧区组件如过渡管、燃烧器罐、喷杆、排气管、加力燃烧室等;而且还因为具有耐应力腐蚀开裂的性能,应用于工业炉、石油化工及化学过程工业中。
  Inconel 625在高温约815℃的条件下依然具有良好的负载性能,而且耐腐蚀性强,广泛应用于航空航天、化工及电力工业中。
  Inconel 713具有优异的抗热疲劳性能,以及在927℃的特殊断裂强度,适用于喷气发动机燃气轮机叶片。
  Inconel 718是基于铁镍硬化的超合金,具有良好的耐腐蚀性及耐热、拉伸、疲劳、蠕变性,适用于各种高端应用,例如,飞机涡轮发动机和陆基涡轮机等。
  4)钴铬合金


  钴铬合金具有高强度、耐腐蚀性强、良好的生物相容性以及无磁性的性能,主要应用于外科植入物包括合金人工关节、膝关节和髋关节,同时其还可用于发动机部件以及时装、珠宝行业等。
  5)铜基合金


  青铜粉
  应用于市场的铜基合金,俗称青铜,具有良好的导热性和导电性,可以结合设计自由度,产生复杂的内部结构和冷却通道,适合冷却更有效的工具插入模具,如半导体器件,也可用于微型换热器,具有壁薄、形状复杂的特征。
  What problem 金属3D打印 has ?
  据西安铂力特区域经理周灵峰介绍,国内的传统制造业体量非常巨大,产品种类琳琅满目,而3D打印作为一项前沿科技,远远谈不上颠覆制造业,两者是相辅相成、相互促进、协同发展的。
  虽然,3D打印是一项自由结构制造的技术,但是,需要有很多加工方法来规避3D打印后处理的的痛点。因此,传统制造业所使用的数控机床加工技术就显得尤为重要,其与3D打印相得益彰,不同的产品在利用这两种技术时可以变化主导制造流程,塑造的产品会更加完美。
  至于要真正加工一个近乎完美的金属件,设备载体固然重要,但是需要软件、工艺、材料相互协调,当然,用金属3D打印机制造零部件或者加工产品,首先需要熟悉材料,然后再谈精密机械。而且,金属打印,因为支撑问题,会导致后期零件无法加工,可能需要考虑更多材料成分的配比关系来迎合打印过程中其他因素对材料特性的影响。以3D打印航空航天零部件为例,航空航天上使用的金属部件都是在极端环境下的,具有强抗腐蚀性、耐高温、金属强度高的特点,如果不熟悉材料特征,如何利用3D打印控制制造金属零部件呢?因此,熟悉材料就显得尤为重要。
  另外,金属3D打印材料成本较高,一方面是因为国内大部分的金属3D打印材料依赖进口,另一方面,前期研发金属打印新材料需要消耗大量的科研经费及人力、物力资源。但是,开发专用的金属3D打印原材料是推动金属3D打印发展的必然因素,而且,这也能催生新产业的发展。
  Summary
  内行看门道,外行看热闹。就国内金属3D打印的发展现状而言,中国还有很长的路要走。据介绍,我们看到,美国在走“互联网+”,德国走“+互联网”,然后中国以德为师,提出工业4.0。但是,我们要认识到,德国具有雄厚的工业基础作为支撑,才提出制造业+互联网,相比而言,中国的制造业基础还是薄弱的,而且研究基础也不高,这也是制约金属3D打印材料发展的关键因素之一。现今国家提出“互联网+制造业”,是希望把个人的因素融合进来,让知识流动性加强,然后逐步推进“互联网+制造业”,促进传统制造业的转型升级,推动3D打印的快速发展。

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