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简析3D打印快速成型金属材料制造技术

2013-12-24 16:53
络遇
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  一般而言,激光快速成型需要用高功率的激光照射试件表面,融化金属粉末,形成液态的熔池,然后移动激光束,熔化前方的粉末而让后方的金属液冷却凝固。周边需要有送粉装臵、惰性气体保护、喷头控制等来配套。

  金属材料的3D打印制造技术之所以难度大,是因为金属的熔点比较高,涉及到了金属的固液相变、表面扩散以及热传导等多种物理过程。需要考虑的问题还包括,生成的晶体组织是否良好、整个试件是否均匀、内部杂质和孔隙的大小等等。另外,快速的加热和冷却还将引起试件内较大的残余应力。为了解决这些问题,一般需要在多种制造参数配合,例如激光的功率和能量分布、激光聚焦点的移动速度和路径、加料速度、保护气压、外部温度等等。

  图表1:激光快速成型技术制作金属零件

  在所有金属合金中,钛合金尤其受到重视。因为钛合金密度低、强度高、耐腐蚀、熔点高,所以是理想的航天航空材料。但是由于钛合金硬而且脆,所以不宜用切割和铸造的方式来成型。反而是由于它导热率低,在加热时热量不会发散引起局部变形,比较适合利用激光快速成型技术。最后,钛合金材料价格高,利用3D打印技术能够在减轻飞行器重量的同时节省原材料的成本。

  图表2:快速加热和冷却导致了试件内的残余应力

  针对金属材料的3D打印,历史上在不同的研究所里演化出了很多种不同的技术种类,但是基本的原理可以说大同小异。这些技术大多开始于90年代中期,晚于以树脂和塑料为原料的FDM、SLA和SLS等技术。我国差不多也在同期开始了此方向的研究。

  图表3:钛合金、不锈钢和铝合金的性能对比

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