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3D 打印正在改变世界
点击次数:334 发布时间:2018/1/8 打印本页面 返回

“在未来(或是在星际纪年的未来),机器可以制造机器。打印机就是第一波新一代的智能机器,它们能设计、制造、修理、回收其他机器,甚至能够调整和改进其他机器,包括它们自己。”

 

                                                 ───科利·多克托罗(科幻小说作家)

 

我们都可以感受得到,3D打印正在打破传统的制造工艺局限。小编可以大胆地预测,未来3D打印将会颠覆整个世界。甚至出现了这样的说法“3D(打印)一出,谁与争锋;3D(打印)在手,天下我有”,这个说法有点夸张,但是小编表示赞同,别问为什么,就是这么任性。不过话说回来,你们知道什么是3D打印吗?目前的3D打印技术到底发展到了何种程度,到底能打印出来什么东西?别想太久,别老是想一些太俗的东西,相信你们也想不出几种。小编随便上网翻阅了一下,当时就震惊了,下面小编随便介绍一种。

 

下面是维也纳工业大学展示的利用一种经过改良的3D打印技术所打印出来的F1赛车模型,这个赛车模型尺寸为330*130*100 µm,大小只有沙粒那么大,可谓“一沙一赛车”。有没有被震惊到?接下来小编要装成3D打印技术大牛,给大家普及一下关于3D打印的一些基础知识,有点枯燥,但是耐心看完肯定有收获。

 

图 1 3D打印F1赛车模型

 

何为3D打印?

 

3D打印(3 Dimensional Printing)又名增材制造(material additive manufacturing),是一种使任何形状的三维固体物品通过数字模型得以快速实现的过程。3D打印的实质是通过计算机辅助设计软件,将某种特定的加工样式进行一系列的数字切片编辑,从而生成一个数字化的模型文件,然后按照模型图的尺寸以某些特定的添加剂作为粘合材料,运用特定的成型设备即3D打印机,用粉末态、液态、丝状等的固体金属粉或可塑性高的物质进行分层加工、叠加成型使原料将这些薄型层面逐层熔融增加,从而最终“打印”出真实而立体的固态物体。通俗一点就是类似于挤牙膏,只不过挤出来的牙膏是按照一定程序规则堆叠成一个特定的形状结构。3D 打印技术被称为“具有工业革命意义的制造技术”,是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术,已成为现代模型、模具和零部件制造的有效手段,在航空航天、生物医学、材料科学等领域得到了一定应用。

 

3D打印用金属粉末

 

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。3D 打印用金属粉末作为金属零件 3D 打印产业链最重要的一环,也是最大的价值所在。 下面就3D打印用金属粉末进行详细介绍。

 

在“2013 年世界 3D 打印技术产业大会”上,世界 3D 打印行业的权威专家对 3D 打印用金属粉末给予明确定义,即指尺寸小于 1mm 的金属颗粒群。 包括单一金属粉末、合金粉末以及具有金属性质的某些难熔化合物粉末。目前,3D 打印用金属粉末材料包括钴铬合金、青铜合金、工业钢、不锈钢、钛合金和镍铝合金等。但是 3D 打印用金属粉末除需具备良好的可塑性外,还必须满足粉末粒径细小、粒度分布较窄、球形度高、流动性好和松装密度高等要求。下面对金属粉末颗粒形状、粒度及其分布对于3D打印产品质量的影响作详细介绍。

 

金属粉末颗粒形状、粒度及其分布对3D打印成品的影响

 

颗粒形状:

 

在金属粉末制备过程中,粉末颗粒会随着制备方法的不同而呈现不同形状,如球形、近球形、多角形、多孔海绵状、树枝状等。粉末的颗粒形状直接影响到粉末的流动性、松装密度,进而对所制备金属零件的性能产生影响。

 

一般来说,球形或者近球形粉末具有良好的流动性,在打印过程中不易堵塞供粉系统,能铺成薄层,进而提高3D打印零件的尺寸精度、表面质量,以及零件的密度和组织均匀性,是作为3D打印的首选原料形状类型。但是要注意,球形粉末的颗粒堆积密度小,空隙大,使得零件的致密度小,也会影响成形质量。

 

3D打印用金属粉末的制备技术的发展制约着3D打印金属零件行业的发展。3D 打印用金属粉末低成本制备技术的突破成为国内外研究人员亟需攻克的难题。近年来,国内外企业在 3D 打印金属粉末制备领域投入了大量的资金和技术力量,都取得了一定的进展。下面为两种金属粉末,用飞纳台式扫描电镜对比两种粉末的微观形貌,可知金属粉末A要优于金属粉末B。金属粉末A基本上为饱满的球状颗粒,几乎没有粘接在一块的。而金属粉末B各种形状都有,球状、杆状以及不规则的形状等,有些粉末颗粒粘在一起,形成所谓的“卫星粉”。

 

 金属粉末A 

 

 金属粉末B

 

粉末粒度及其分布:

 

一般来说,金属粉末的粒度越小,越有利于烧结的顺利进行,因为粒度越小,比表面积越大,烧结的驱动力也就越大。此外,细小的粉末颗粒之间的空隙小,相邻铺粉层之间连接紧密,有利于提高烧结致密化和烧结强度。小颗粒的金属粉末还可以填充到大颗粒的空隙中,能够提高粉末的堆积密度,从而有利于提高打印的金属零件的表面质量和强度。但是,并不是颗粒越细越好,如果细颗粒过多,在烧结过程中容易出现“球化”现象,易造成铺粉厚度不均匀。所谓的“球化”现象,就是为使熔化的金属液表面与周围介质表面构成的体系具有最小的自由能,在表面张力的作用下,金属液表面形状向球形表面转变的一种现象。“球化”通常会使金属粉末熔化后无法凝固形成连续平滑的溶池,因而形成的零件疏松多孔,致使成型失败。

 

3D 打印用金属粉末粒度的选取根据热源的不同也有所不同,一般来说,激光成形的粉末粒度在 30~50 μm,而电子束成形的粉末粒度在 50~90 μm。当金属粉末的大颗粒和小颗粒以恰当的比例混合,才能得到高质量的3D打印金属产品。

 

依据上面的介绍,我们可以知道对于金属粉末的粒度及其分布的检测相当重要。目前对于这类金属粉末的粒度及其分布的检测的手段一般采用激光粒度仪。小编给大家介绍一种新的方法,利用扫描电镜(SEM)的一些拓展软件,也可以高效地进行检测。而且,小编觉得,SEM的这种手段测量结果更加准确。下面是利用飞纳台式扫描电镜颗粒统计分析测量系统对国内某个厂家的金属粉末进行检测,罗列了其中几个图。SEM的颗粒统计系统,不仅可以得到粉末的圆度、长直比、颗粒尺寸及分布等结果,还可以实时得到所检测区域的形貌图和对应颗粒的识别情况,并对颗粒识别不对的地方进行手动剔除。从下面的颗粒识别图片可以看出,颗粒统计系统对于颗粒的识别是相当准确的。有趣的是,我们可以从圆度-长径比散点图中,非常直观地看到这批粉末到底圆不圆,其中每个点代表一个颗粒,圆度的值越接近于1越圆。

 

BSE图片

 

 颗粒识别图片

 

颗粒直径分布图

 

颗粒圆度-长径比散点图

 

介绍了这么多,大家学到了吗?这篇文章部分内容参考了华南理工大学高超峰博士在粉末冶金期刊发表的《3D打印用金属粉末的性能特征及研究进展》。

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