Metallist 3D-printimismaterjalide läbimurre on arengu aluseks
Metallist 3D-printimise materjalid on oluliseks materiaalseks baasiks metallist 3D-printimise tehnoloogia arendamiseks. Mingil määral määrab materjalide areng, kas 3D-printimist saab laiemalt kasutada. Praegu hõlmavad metallist 3D-printimise materjalid peamiselt insenerplasti, valgustundlikke vaikusid, kummimaterjale, metallmaterjale ja keraamilisi materjale. väli on rakendatud. Need metallide 3D-printimisel kasutatavad toorained on spetsiaalselt välja töötatud metallist 3D-printimise seadmete ja protsesside jaoks, mis erinevad tavalistest plastidest, kipsist, vaigudest jms ning nende vormid on üldjuhul pulbrilised, filamentsed, lamellsed ja vedelad. oota. Tavaliselt, olenevalt trükiseadmete tüübist ja töötingimustest, on kasutatavate pulbermetallist 3D-trükimaterjalide osakeste suurus vahemikus 1 kuni 100 μm ning pulbri hea voolavuse säilitamiseks on pulbril üldjuhul nõutav kõrge sfäärilisuse aste. .
Metallist 3D-trükimaterjalide uurimis- ja arendustegevus ning läbimurre on metallist 3D-printimise tehnoloogia edendamise ja rakendamise aluseks ning ühtlasi ka rahuldava printimise põhitagatis. Üks on materjalide uurimis- ja arendustegevuse tugevdamine ning tervikliku trükimaterjalide süsteemi moodustamine. Viimastel aastatel on metallist 3D-printimise materjalid kiiresti arenenud. 2013. aastal kasvas metallmaterjalide printimine 28 protsenti ja 2014. aastal üle 30 protsendi, moodustades umbes 12 protsenti metallist 3D-printimise materjalidest. Metallmaterjalid on peamiselt titaan, alumiinium, teras ja nikkel. Trükimaterjalina saab kasutada titaanisulameid, kõrge temperatuuriga sulameid, roostevaba terast, surveterast, kõrgtugevat terast, legeerterast ja alumiiniumsulameid ning neid on laialdaselt kasutatud seadmete valmistamisel, remondil ja ümbertöötlemisel. Praegu puudub aga metallist 3D-printimise materjalide süsteem ning olemasolevad materjalid ei vasta kaugeltki metallist 3D-printimise vajadustele.
Laserstereovormimiseks kasutatavad materjalid on peamiselt metallist inertsed materjalid ning järgmise sammuna tuleb proovida teisi aktiivseid metallitrükimaterjale. Traditsiooniliselt pulbermetallurgias kasutatavad metallipulbrid ei suuda täielikult täita 3D-printimise nõudeid ning praegu on printimiseks kasutatavaid metallmaterjale vähe ning hind on suhteliselt kõrge. On olnud mõned välismaised ettevõtted, mis on spetsialiseerunud 3D-printimise metallipulbrile, näiteks Sulzer Metco Ameerika Ühendriikides ja Sandvik Rootsis, kuid nad suudavad pakkuda vaid mõnda tavalist metallipulbrit. Kodumaine materjalide uurimine ja arendus on suhteliselt maha jäänud ning trükipulber on liiga kallis. Kuna materjalide uurimis- ja arendustsükkel on pikk ning uurimis- ja arendustegevus keerulisem kui seadmete oma, ei soovi ettevõtted huvide maksimeerimise eesmärgil materjali uurimis- ja arendustegevust läbi viia. Huanghe Cyclone Co., Ltd. on üks vähestest kodumaistest ettevõtetest, mis tegeleb teemantmikropulbri ja CBN-mikropulbri tootmisega. Ülikoolide teadustöö on huvitatud ka 3D-printimise seadmetest ja tarkvarast, mistõttu trükimaterjalid piiravad suuresti metallist 3D-printimise tehnoloogia arendamist ja rakendamist.
Metallipulbrid
3D-printimisel kasutatavad metallipulbrid nõuavad üldiselt kõrget puhtust, head sfäärilisust, kitsast osakeste suuruse jaotust ja madalat hapnikusisaldust. Praegu on 3D-printimisel kasutatavate metallipulbermaterjalide hulgas peamiselt titaanisulamid, koobalt-kroomisulamid, roostevaba teras ja alumiiniumsulami materjalid, lisaks kuld, hõbe ja muud ehete trükkimisel kasutatavad väärismetallide pulbermaterjalid. 3D-printimise metallipulber kui kõige olulisem lüli 3D-trükitööstuse metalldetailide ahelas on ka see, kus peitub suurim väärtus.
Maailma 3D-printimise tehnoloogiatööstuse konverentsil 2013 andsid autoriteetsed eksperdid maailma 3D-trükitööstuses selge definitsiooni 3D-printimise metallipulbrile, mis viitab metalliosakeste rühmale, mille suurus on alla 1 mm. Sealhulgas üksik metallipulber, sulamipulber ja mõned metalliliste omadustega tulekindlad ühendipulbrid. Praegu on 3D-printimisel kasutatavate metallipulbrite materjalideks koobaltkroomisulam, roostevaba teras, tööstusteras, pronksisulam, titaanisulam ja nikli-alumiiniumisulam jne. Kuid lisaks heale plastilisusele peab 3D-printimise metallipulber vastama ka peenmetallide nõuetele. pulbri osakeste suurus, kitsas osakeste suuruse jaotus, kõrge sfäärilisus, hea voolavus ja suur puistetihedus.
Titaanisulamist 3D-printimine
Titaanisulami eelisteks on kõrge temperatuurikindlus, kõrge korrosioonikindlus, kõrge tugevus, madal tihedus ja biosobivus ning seda on laialdaselt kasutatud kosmosetööstuses, keemiatööstuses, tuumatööstuses, spordivarustuses ja meditsiiniseadmetes ning muudes valdkondades. Traditsiooniliste sepistamis- ja valutehnikate abil valmistatud titaanisulamist osi on laialdaselt kasutatud kõrgtehnoloogilistes valdkondades. Boeing 747 lennukis kasutatud titaani kogus ulatub 42,7 tonnini. Suurte titaanisulamist osade tootmine traditsiooniliste sepistamis- ja valamismeetoditega on aga takistanud selle laiemat kasutamist selliste ebasoodsate tegurite tõttu nagu toote kõrge hind, keeruline protsess, madal materjali kasutusmäär ja raske hilisem töötlemine. Metallist 3D-printimise tehnoloogia võib need probleemid põhimõtteliselt lahendada, mistõttu on sellest tehnoloogiast viimastel aastatel saanud uus tehnoloogia titaanisulamist osade otseseks tootmiseks. Uute titaanipõhiste sulamite väljatöötamine on titaanisulami SLM-i rakendusuuringute peamine suund. Titaani ja titaanisulamite madala deformatsioonikõvenemisindeksi (ligikaudu 0,15) tõttu on vastupidavus plastilisele nihkedeformatsioonile ja kulumiskindlus halb, mis piirab selle osade kasutamist kõrgel temperatuuril ja söövitavates kulumistingimustes.
Roostevabast terasest 3D printimine
Roostevaba teras on keemilise korrosioonikindluse, kõrge temperatuurikindluse ja heade mehaaniliste omadustega. Tänu heale pulbervormitavusele, lihtsale ettevalmistusprotsessile ja madalale hinnale on see kõige varasem materjal, mida 3D-metalliprintimisel kasutatakse. Näiteks on Huazhongi teadus- ja tehnoloogiaülikool, Nanjingi lennundus- ja astronautikaülikool, kirdeülikool ja teised institutsioonid teinud põhjalikke uuringuid metalli 3D-printimise kohta. Praegused uuringud keskenduvad peamiselt poorsuse vähendamisele, tugevuse suurendamisele ja metallipulbri sferoidiseerimismehhanismile sulamisprotsessis. Li Ruidi jt. kasutas 304L roostevaba terase pulbri SLM-i moodustamise katsete läbiviimiseks erinevaid protsessi parameetreid, sai 304L roostevaba terase tiheduse empiirilise valemi ja võttis kokku tera kasvumehhanismi.
Supersulamite 3D printimine
Supersulamid viitavad raual, niklil ja koobaltil põhinevate metallmaterjalide klassile, mis võivad töötada pikka aega kõrgel temperatuuril üle 600 kraadi ja teatud pingekeskkondades. Sellel on kõrge kõrge temperatuuri tugevus, hea termiline korrosiooni- ja oksüdatsioonikindlus ning hea plastilisus ja sitkus. Praegu võib sulamimaatriksi tüübi järgi selle laias laastus jagada kolme tüüpi: rauapõhised, niklipõhised ja koobaltipõhised sulamid. Kõrge temperatuuriga sulameid kasutatakse peamiselt suure jõudlusega mootorites. Kaasaegsetes täiustatud lennukimootorites moodustab kõrge temperatuuriga sulamite kogus 40–60 protsenti mootori kogumassist. Kaasaegsete suure jõudlusega lennukimootorite väljatöötamisel on järjest kõrgemad nõuded supersulamite töötemperatuurile ja jõudlusele. Traditsioonilisel valuploki metallurgilisel protsessil on aeglane jahutuskiirus, teatud elementide ja valuploki teise faasi tõsine segregatsioon, halb kuumtöödeldavus, ebaühtlane struktuur ja ebastabiilne jõudlus. Metallist 3D-printimise tehnoloogiast on saanud uus meetod supersulamite moodustamise tehniliste kitsaskohtade lahendamiseks. NASA väitis, et 22. augustil 2014 läbiviidud kõrgel temperatuuril süütekatses andis metallist 3D-printimise tehnoloogial valmistatud rakettmootori otsik rekordilise tõukejõu 9t.
Alumiiniumsulamist 3D printimine
Kõige kergema konstruktsioonisulamina on alumiiniumisulamil võimalus asendada terast ja alumiiniumisulamit paljudes kasutusvaldkondades tänu oma erilistele kõrgetele tugevus- ja summutusomadustele. Näiteks võib alumiiniumisulamite kerge kasutamine auto- ja lennukikomponentides vähendada kütusekulu ja heitgaase. Alumiiniumsulamil on in situ lagundatavus, madal Youngi moodul, inimluule lähedane tugevus, suurepärane biosobivus ja sellel on rohkem kasutusvõimalusi kui traditsioonilistel sulamitel kirurgilises implantatsioonis.
Alates metalli 3D-printimise tehnoloogia esilekerkimisest 1990-ndatel on polümeermaterjalide trükkimine järk-järgult keskendunud metallipulbrite printimisele ning välja on töötatud suur hulk uusi tehnoloogiaid, seadmeid ja uusi materjale ning rakendatud. Praegu edeneb infotehnoloogia innovatsiooni tempo jätkuvalt ning tööstustoodang on jõudmas uude intelligentsuse ja digitaliseerimise etappi. 2014. aastal pakkus Saksamaa välja arengukava "Tööstus 4.0", mis toob kindlasti kaasa murrangulisi muutusi ja uuendusi tööstusvaldkonnas ning 3D-printimise tehnoloogiast saab võimas tõukejõud tööstusliku intelligentsuse arendamisel. Metallipulber-3D-printimise tehnoloogia on saavutanud teatud tulemusi, kuid materjali kitsaskoht mõjutab paratamatult 3D-printimise tehnoloogia edendamist ning 3D-printimise tehnoloogia seab materjalidele kõrgemad nõuded. Tööstuslikuks 3D-printimiseks sobivaid metallmaterjale on mitut tüüpi, kuid tööstusliku tootmise nõuetele vastavad ainult spetsiaalsed pulbermaterjalid.
Metallmaterjalide 3D-printimise edasisel arengusuunal on peamiselt kolm aspekti:
Üks on see, kuidas olemasolevate materjalide põhjal tugevdada materjali struktuuri ja omaduste seoste uurimist, optimeerida veelgi protsessi parameetreid vastavalt materjalide omadustele, suurendada trükikiirust, vähendada poorsust ja hapnikusisaldust ning parandada pinna kvaliteeti;
Teine on uute materjalide väljatöötamine, et muuta need metallist 3D-printimiseks sobivaks, näiteks uute materjalide väljatöötamine, millel on suurepärane korrosioonikindlus, kõrge temperatuuritaluvus ja terviklikud mehaanilised omadused;
Kolmas on 3D-printimise metallipulbermaterjalide tehniliste standardite süsteemi läbivaatamine ja täiustamine, et realiseerida metallmaterjalide printimise tehniliste standardite institutsionaliseerimine ja normaliseerimine.