3d打印技術的應用

3d打印技術的應用

3d打印技術是制造業(yè)領域快速發(fā)展的一項新興技術。被稱為“革命性制造技術”。它已成為現(xiàn)代模型、樣品和零件的有效制造手段。它在航空航天、汽車、摩托車、家電、醫(yī)學、工程、教育等領域得到了廣泛應用，在工程、科學、理論等領域發(fā)揮了獨特作用。3D打印(3Dprinting)是以計算機3維設計模型為藍本,通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng),利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細胞組織、沙子等特殊材料進行逐層堆積黏結,最終疊加成型,制造出實體產品。3D打印的原材料較為特殊,必須能夠液化、粉末化、絲化,在打印完成后又能重新結合起來,并具有合格的物理化學性質。金屬零件3D打印技術作為整個3D打印體系中最為前沿和最有潛力的技術,是先進制造技術的重要發(fā)展方向。目前,國內3D打印耗材金屬粉末制備難度大、產量小、產品性能低,國外廠家壟斷市場,價格昂貴。因此,對3D打印耗材金屬粉末制備方法的研究尤為重要。13金屬粉末的微觀結構3D打印金屬粉末作為金屬零件3D打印產業(yè)鏈最重要的一環(huán),也是最大的價值所在。在“2013年世界3D打印技術產業(yè)大會”上,世界3D打印行業(yè)的權威專家對3D打印金屬粉末給予明確定義,即指尺寸小于1mm的金屬顆粒群。包括單一金屬粉末、合金粉末以及具有金屬性質的某些難熔化合物粉末。目前,3D打印金屬粉末材料包括鈷鉻合金、不銹鋼、工業(yè)鋼、青銅合金、鈦合金和鎳鋁合金等。但是3D打印金屬粉末除需具備良好的可塑性外,還必須滿足粉末粒徑細小、粒度分布較窄、球形度高、流動性好和松裝密度高等要求。為了進一步證明3D打印金屬粉末對產品的影響。作者采用選擇性激光燒結法(SLS法)打印兩種不同的不銹鋼粉末,發(fā)現(xiàn)制備出的產品存在明顯差異。德國某廠家的不銹鋼粉末打印樣品表面光澤、收縮率小、不易變形、力學性能穩(wěn)定。而國內某廠家的不銹鋼粉末的打印樣品則遠遠不及前者。為此,對兩種不同的不銹鋼粉末進行的微觀形貌分析。圖1為德國某廠家不銹鋼粉末的微觀結構,從圖中可以看出,粉末顆粒球形度好,顆粒尺寸分布在11.2~63.6μm范圍內。圖2為國內某廠家的不銹鋼粉末的微觀結構,可以看出,其顆粒為不規(guī)則塊狀,尺寸較小。通過上述研究表明,3D打印耗材金屬粉末需滿足粒徑細小、粒度分布窄、球形度高、流動性好和松裝密度高。因此,為了得到所需優(yōu)異性能的3D打印產品,必須尋求一種高效的金屬粉末制備方法。2霧化法和全金屬粉末法目前,粉末制備方法按照制備工藝主要可分為:還原法、電解法、羰基分解法、研磨法、霧化法等。其中,以還原法、電解法和霧化法生產的粉末作為原料應用到粉末冶金工業(yè)的較為普遍。但電解法和還原法僅限于單質金屬粉末的生產,而對于合金粉末這些方法均不適用。霧化法可以進行合金粉末的生產,同時現(xiàn)代霧化工藝對粉末的形狀也能夠做出控制,不斷發(fā)展的霧化腔結構大幅提高了霧化效率,這使得霧化法逐漸發(fā)展成為主要的粉末生產方法。霧化法滿足3D打印耗材金屬粉末的特殊要求。霧化法是指通過機械的方法使金屬熔液粉碎成尺寸小于150μm左右的顆粒的方法。按照粉碎金屬熔液的方式分類,霧化法包括二流霧化法、離心霧化、超聲霧化、真空霧化等。這些霧化方法具有各自特點,且都已成功應用于工業(yè)生產。其中水氣霧化法具有生產設備及工藝簡單、能耗低、批量大等優(yōu)點,己成為金屬粉末的主要工業(yè)化生產方法。2.1微膠囊的表面改性在霧化制粉生產中,水霧化法是廉價的生產方法之一。因為霧化介質水不但成本低廉容易獲取,而且在霧化效率方而表現(xiàn)出色。目前,國內水霧化法主要用來生產鋼鐵粉末、金剛石工具用胎體粉末、含油軸承用預合金粉末、硬面技術用粉末以及鐵基、鎳基磁性粉末等。然而由于水的比熱容遠大于氣體,所以在霧化過程中,被破碎的金屬熔滴由于凝固過快而變成不規(guī)則狀,使粉末的球形度受到影響。另外一些具有高活性的金屬或者合金,與水接觸會發(fā)生反應,同時由于霧化過程中與水的接觸,會提高粉末的氧含量。這些問題限制了水霧化法在制備球形度高、氧含量低的金屬粉末的應用。但是,金川集團股份有限公司發(fā)明了一種水霧化制備球形金屬粉末的方法,其采用在水霧化噴嘴下方處再設置一個二次冷水霧化噴嘴,進行二次霧化。該發(fā)明得到的粉末不僅球形度接近氣霧化效果,而且粉末粒度比一次水霧化更細。2.2其它霧化粉末氣霧化法是生產金屬及合金粉末的主要方法之一。氣霧化的基本原理是用高速氣流將液態(tài)金屬流破碎成小液滴并凝固成粉末的過程。由于其制備的粉末具有純度高、氧含量低、粉末粒度可控、生產成本低以及球形度高等優(yōu)點,已成為高性能及特種合金粉末制備技術的主要發(fā)展方向。但是,氣霧化法也存在不足,高壓氣流的能量遠小于高壓水流的能量,所以氣霧化對金屬熔體的破碎效率低于水霧化,這使得氣霧化粉末的霧化效率較低,從而增加了霧化粉末的制備成本。目前,具有代表性的幾種氣霧化制粉技術氣霧化如下。2.2.1其他霧化設備層流霧化技術是由德國Nanoval公司等提出,該技術對常規(guī)噴嘴進行了重大改進。圖3為層流霧化噴嘴結構圖。改進后的霧化噴嘴霧化效率高,粉末粒度分布窄,冷卻速度達106~107K/s。在2.0MPa的霧化壓力下,以Ar或N2為介質霧化銅、鋁、316L不銹鋼等,粉末平均粒度達到10μm。該工藝的另一個優(yōu)點是氣體消耗量低,經濟效益顯著,并且適用于大多數(shù)金屬粉末的生產。缺點是技術控制難度大,霧化過程不穩(wěn)定,產量小(金屬質量流率小于1kg/min),不利于工業(yè)化生產。Nanoval公司正致力于這些問題的解決。2.2.2霧化噴嘴結構圖超聲緊耦合霧化技術是由英國PSI公司提出。該技術對緊耦合環(huán)縫式噴嘴進行結構優(yōu)化,使氣流的出口速度超過聲速,并且增加金屬的質量流率。圖4為典型的緊藕合霧化噴嘴結構圖-Unal霧化噴嘴。在霧化高表面能的金屬如不銹鋼時,粉末平均粒度可達20μm左右,粉末的標準偏差最低可以降至1.5μm。該技術的另一大優(yōu)點是大大提高了粉末的冷卻速度,可以生產快冷或非晶結的粉末。從當前的發(fā)展來看,該項技術設備代表了緊耦合霧化技術的新的發(fā)展方向,且具有工業(yè)實用意義,可以廣泛應用于微細不銹鋼、鐵合金、鎳合金、銅合金、磁性材料、儲氫材料等合金粉末的生產。2.2.3氣體加熱+改性近年來,英國的PSI公司和美國的HJF公司分別對熱氣體霧化的作用及機理進行了大量的研究。HJF公司在1.72MPa壓力下,將氣體加熱至200~400℃霧化銀合金和金合金,得出粉末的平均粒徑和標準偏差均隨溫度升高而降低。與傳統(tǒng)的霧化技術相比,熱氣體霧化技術可以提高霧化效率,降低氣體消耗量,易于在傳統(tǒng)的霧化設備上實現(xiàn)該工藝,是一項具有應用前景的技術。但是,熱氣體霧化技術受到氣體加熱系統(tǒng)和噴嘴的限制,僅有少數(shù)幾家研究機構進行研究。2.3金屬粉末制粉技術目前,我國河南黃河旋風股份有限公司已經開始進入3D打印金屬粉末研發(fā)。其所用的粉末制備工藝如真空霧化制粉、超高壓水霧化制粉、惰性氣體緊耦合霧化制粉技術。下面著重介紹前兩種霧化技術。2.3.1霧化法制備金屬及其合金粉末真空霧化制粉是指在真空條件下熔煉金屬或金屬合金,在氣體保護的條件下,高壓氣流將金屬液體霧化破碎成大量細小的液滴,液滴在飛行中凝固成球形或是亞球形顆粒。真空霧化制粉可以制備大多數(shù)不能采用在空氣中和水霧化方法制造的金屬及其合金粉末,可得到球形或亞球形粉末。由于凝固快克服了偏析現(xiàn)象,可以制取許多特殊合金粉末。采用合適的工藝,可以使粉末粒度達到一個要求的范圍。2.3.2超高壓霧化噴嘴超高壓霧化法是采用超高壓霧化噴嘴制備金屬粉末的一種方法。圖5(a)為高壓霧化噴嘴,圖5(b)為超高壓霧化噴嘴。超高壓霧化噴嘴的特點是可以在較低的氣壓下產生更高的超音速氣流和均勻的氣體速度場,從而更加有效抑制有害激波的產生,明顯增加氣體的動能,使霧化效率更高。該噴嘴在較低的氣壓下產生與高壓霧化噴嘴相同的霧化效果,而且氣流速度更加穩(wěn)定和均勻。同時,制得的粉末粒徑小、分布窄。3金屬粉末霧化制粉技術研發(fā)現(xiàn)狀與趨勢近年來,我國積極探索3D打印金屬粉末制備技術,初步取得成效。自20世紀90年代初以來,清華大學、西安交通大學、華中科技大學、華南理工大學、北京航空航天大學、西北工業(yè)大學等高校,在3D打印材料技術方面,開展了積極的探索,已有部分技術處于世界先進水平。黃河旋風股份有限公司已經開始進入3D打印金屬粉末研發(fā)。擁有多套國內領先水平的霧化制粉設備,工藝涵蓋真空霧化制粉、超高壓水霧化制粉、惰性氣體緊耦合霧化制粉技術,將為中國的3D打印事業(yè)貢獻一份力量。但是,目前,我國3D打印金屬粉末仍存在如下4個問題:缺乏宏觀規(guī)劃和引導、對技術研發(fā)投入不足、產業(yè)鏈缺乏統(tǒng)籌發(fā)展、缺乏教育培訓和社會推廣。同時,在常規(guī)的金屬粉末霧化噴嘴中,金屬粉末的形成是靠氣流