金屬3D打印發展很熱

 

        金屬零（líng）件3D打印（yìn）技術作為整個3D打印體係中最為前沿和最有潛力的（de）技術，是先進製造技術的重要發展方向。

 

        雖然現在金屬3D打印很熱，有很（hěn）多企（qǐ）業和政府也紛紛上馬或（huò）推廣金屬3D打印項目，但真正用金屬3D打印做出產品的較少。這裏麵關鍵問題還是技術問題，打印（yìn）速度和精度（dù）、打印精度和強度等相互矛盾的技術指標困（kùn）擾著（zhe）製（zhì）造（zào）商和（hé）最終用戶，當然（rán）還有（yǒu）操作專業性強（qiáng）、原材料昂貴等問題，最終讓他們保持觀望態度。

 

        在（zài）現階段技術條（tiáo）件下，發（fā）展金屬3D打印的智能化和增減複合技術是有效地解決目前存在弊端的關鍵，是未來金屬3D打印的（de）重要發展方向。

 

為什麽會盯著非晶3D打印？

 

        處於亞穩態的非晶合（hé）金需要在較快的（de）冷卻速率下才能獲得，而目前通常采用的銅模（mó）鑄造法隻能（néng）製備出（chū）臨界尺寸較小的（de）非晶合金。另外，由（yóu）於塊體非晶合金存在嚴重的室溫脆性問題，其在室溫下（xià）難（nán）以進（jìn）行機械加工。複雜（zá）形狀構件的（de）模具無法或很難加工製造，導致難以獲得精密複雜的非晶合金構件，這成為製約非晶合金應用的另一（yī）個瓶頸。因此，如何（hé）突（tū）破非晶合金臨界的尺寸限製和複雜構（gòu）件的製備加工是擴展其在相關領域應（yīng）用的關鍵。

 

        近（jìn）年來，激光3D打印技術的迅猛發展（zhǎn）為解決（jué）上述難題提供了（le）契機。激光3D打印技術屬於（yú）快速成形技術（shù）的一種，與傳統的切削等機械加工技術不同，激光3D打印技術是一種以數字模型文件為基礎的“增材製（zhì）造”技術，是一種具有（yǒu）“變革（gé）性（xìng）”意義的數字化、短周期、低成本的先進製（zhì）造技術。由於激光3D打印技術是一種逐點（diǎn）離散（sàn）熔覆沉積的成型方法，其每點的所受激光加熱麵積較小，熔池（chí）的熱量可以迅速向基體（tǐ）擴（kuò）散，使（shǐ）得（dé）激光熔池的冷卻（què）速率遠大於非晶合金的臨界冷卻速率，使得熔池（chí）在冷（lěng）凝的過程中可以避免發生晶化，進而（ér）獲得非晶態，這為無尺寸限製地製備非晶合金提供可能。另外，激光3D打印是以金屬粉末為原材料，通過高能（néng）激光束對金（jīn）屬粉末（mò）逐層熔化（huà）堆積，直接由數字模型（xíng）一步完（wán）成全致（zhì）密、高性能、複雜金屬零件的“近終成（chéng）形”製造（zào），這為製備複雜的非晶合金構提（tí）供理想的手段。

 

        因此，針對目前（qián）非晶（jīng）合金所麵臨的尺寸較小和難以製備加工複（fù）雜構件的問題，激光3D打印技（jì）術是（shì）最有可（kě）能解決上述問題，並實現（xiàn）非晶合金大規模應用的（de）技術。

 

國內外進展：

 

1）我國非晶3D打印研究有進展

 

        我國在非晶3D打印研究較早，且取（qǔ）得一定成果。西北工業大（dà）學的楊高林等（děng）人采用預置粉末的方（fāng）式（shì）激光3D打（dǎ）印Zr基非晶合金，研究發（fā）現，製（zhì）備的7層小尺寸Zr基非晶合金中（zhōng）非晶相（xiàng）的含量可以達到92% (體積比)。太原（yuán）理工大（dà）學的幹宇采用預置粉末的方式激光3D打印Zr基非晶合金，在非晶合金的中上部，化學（xué）成分相（xiàng）對分布均勻，接近設計的理想組分。華中科技大學的柳林教授課題組采用（yòng）激光選區激光3D打印技術成型Fe基非晶合金，他們采用激光在線退（tuì）火以及材料複合等手段抑製裂紋的產生。大連交（jiāo）通大學的呂雲卓（zhuó）等人（rén）采用同軸送粉激（jī）光3D打印技術成型Zr基非晶合金，他們采用打印非晶合金（jīn）複合材料的方法（fǎ）抑製裂紋。

 

2）美（měi）國非晶3D打印即將走向商業化

 

        美國俄亥俄州立大學從2008年就開始研究非晶合金的激光3D打印技術（shù），並已經在Cu基和Zr基非晶合金的3D打印上取得（dé）進展。日前，美國加州理工大（dà）學在非晶合金3D打印上取得較（jiào）大進步，並已獲批發明專利，其製造非晶態金屬（shǔ）的（de）方法為是將第一層金屬（shǔ）合金表麵高（gāo）溫熔融，迅速冷卻這層熔融金屬合金，凝固形成非晶態金屬的第一層；然後在此基礎上進行下一層的加工。在這個過程（chéng）中使用的是（shì）“噴塗技術”應用（yòng）至每一層，包括等離子噴塗（tú）、電弧噴（pēn）塗等方法。“噴塗（tú）技術”可以使用的原材料包括：金屬絲和金屬粉末。隨著加州理工大學的此項專利獲批，該技術正式進入（rù）商業（yè）化（huà）階段。

 

3）日（rì）本非（fēi）晶3D打印有銷售目（mù）標

 

        2004年（nián），日本田中控股（gǔ）株式會社（shè），開發了用於3D打印（yìn）的鉑基非晶合金的粉末，並在激光3D打（dǎ）印成（chéng）型鉑基非晶合金方麵方（fāng）麵獲得成功，屬全球首創。同時，田中貴金屬工業也開發出（chū）分別添加鉑、銥的鎳基合金鉑族金屬粉末材料，並在造型產品的製作方麵取得成功。另（lìng）外，田中貴金屬工業通過與日本大（dà）阪（bǎn）府立產業技術綜合研究所合作研究（jiū），探明（míng）與粉末（mò）材質及形狀相適應的（de）激光能量照射條件，從而在分別添加鉑、鉑基（jī）非晶合金（jīn）的造型產品製作方麵（miàn）取得了成功。田中（zhōng）貴金屬工業（yè）將提（tí）供3D打印機用鉑（bó）族金屬粉末材料，並製定了（le）在2020年度達成（chéng）每年（nián）4億日（rì）元（yuán）的銷售目標。

 

4）瑞典非晶3D打印擁有專門設備

 

        瑞典科（kē）技創業公司Exmet是從2016年起與德國材料巨頭賀利氏合作研發非晶態金屬3D打印技術，與加州理工大學所使用（yòng）的DED技術不同的是，Exmet在工廠中配備了一台EOS M 290 金屬3D打印機，用於（yú）製造高性能的非晶態金屬零部件。

 

5）澳大利亞非晶（jīng）3D打印受困於晶化

 

        澳大利亞西澳大學利用選區熔化激光3D打印技術製備（bèi）Al基非晶合金，研究（jiū）發現，盡管使用合適的工藝參數（shù）可（kě）以（yǐ）獲得具有較高致密（mì）度和較好力學性能的Al基非晶合（hé）金（jīn），和中國部分科研工（gōng）作一樣（yàng），在具體工作中無法（fǎ）避免晶化（huà）的發生。

 

6）德國非晶3D打（dǎ）印出鐵基零部件

 

        德（dé）國科學家（jiā）利用激光選區熔（róng）化方法成功實現具有複雜形狀的Fe基非晶合（hé）金的激（jī）光3D打印，但是所（suǒ）製（zhì）備的非晶合金在成型零件的拐角處以及形狀較為複雜的部位仍然發現晶化。

 

非晶3D打印技術優缺（quē）點及國內外研究著力點

 

        非晶3D打印技術和（hé）非晶合金材（cái）料性質有相似（sì）：優點突出，缺點也十分明顯。優點：突破非晶（jīng）合金（jīn）尺寸（cùn）限製（zhì）；實現複雜非晶合金構件（jiàn）製備；製造複雜非晶合金製品不增（zēng）加成本；製備非晶合（hé）金周期短（duǎn），製造流程簡單；減少廢棄副產品。缺點：晶化（huà）相（xiàng）難以避免；存在缺陷；成（chéng）分不均勻；後續仍需額外工藝。

 

       今年（nián）來，《非晶中國產業資訊》走訪或者以交流形式對接（jiē）以色列、日本等國，以及國內的深圳、上海、北京、西安（ān）等地，就非晶3D打印技術進行（háng）專項調研。和國外相比，我國此項技術研發起步較早（zǎo），有一（yī）定技術積累。我們優勢是，從事團（tuán）隊較多，技術不斷（duàn）有進展。不足的是，我（wǒ）國很多技術還處於（yú）起步階段，部分研究或多（duō）或少有跟隨或者跟風式模仿。國外非晶3D打印研究，更加注重有效性，注重產業化方向。我們發現，除了有科研人員參與外，更多的3D打印企業工程技術人員加入，是一個跨學科、跨部門、跨人（rén）員工作性質的團隊在做這項工作。

 

非晶3D打印未來趨勢

 

        將3D打印技術應用於塊體非晶合金的製備，是突破非晶合金臨界的尺寸限製和實現複雜非（fēi）晶合金構件製備的可行方法，有可能是非晶產業下一個（gè）“雄安”。然而目（mù）前利用（yòng）3D打印技術製備（bèi）非（fēi）晶（jīng）合金的致命問題是成型（xíng）的非晶合金內部存（cún）在裂紋（wén）以及孔洞等缺陷，這對於受力器件很（hěn）難利用。非晶基複合材（cái）料（liào）可以改善非晶合金的一些（xiē）性能缺陷，尤其是可以提高非晶合金的室溫塑性，近年來已經成（chéng）為非晶合（hé）金研（yán）究領域的（de）熱點。因此，未來利用3D打印技術成型非晶基複合材料是實現其實用化的突破口之一。