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3D打印该选择哪种金属材料呢?
发布时间:2019-10-18
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【行业小知识】3D打印该选择哪种金属材料呢?


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3D打印技术是在计算机中将物体的三维模型通过分层软件分成若干层,通过3D打印设备在一个平面上按照分层图形、将塑料、金属甚至生物组织活性细胞等材料烧结或者黏和在一起,逐层累计叠加最终形成一个物体。此外,3D打印技术具有制作周期短、个性化制造、制作材料多样、制作成本相对低、应用行业领域广等特点。

然而,现阶段制约3D打印技术发展因素的主要有两个,打印材料和设备。目前3D打印材料主要包括工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、光敏材料和陶瓷材料。它的形态一般是粉末状、丝状、层片状、液体状。


 

3D打印材料分类

工程塑料

强度、硬度、耐冲击性、耐性、抗老化性均比较优秀。

光敏树脂

由聚合物单体和预聚体组成的,在一定波长的紫外光照射下能立刻引起聚合反应完成固化。

橡胶类材料

这种材料具备多种级别的弹性,它具有的硬度、断裂伸长率、抗撕裂程度和拉伸强度,使其非常适合于要求防滑或柔软表面的应用。

陶瓷材料

具有高强度、高硬度、耐高温、低密度、化学稳定性好、耐腐蚀等优异特性,在航空航天、汽车、生物等行业有着广泛的应用。

金属材料

粉末形式

粉末材料是最常用的材料,可用于激光选区熔化、激光近净成形、电子束选区熔化等多种3D打印工艺;目前3D打印所使用的金属粉末的制备方法主要是雾化法。雾化法主要包括水雾化法和气雾化法两种,气雾化制备的粉末相比于水雾化粉末纯度高、氧含量低、粉末粒度可控、生产成本低以及球形度高,是高性能及特种合金粉末制备技术的主要发展方向。

丝材形式

丝材适合于电弧增材制造等工艺;3D 打印所使用的金属丝材与传统的焊丝相同,理论上凡能在工艺条件下熔化的金属都可作为3D 打印的材料。丝材制造的工艺很成熟,材料成本相比粉材要低很多。

据了解,当下市场上使用频率最高的3D打印材料主要包括:塑料(ABSPLA、尼龙、光聚合物等),金属两大类。下面重点介绍一下3D打印金属材料

 

3D打印金属材料可以分为铁基合金、钛及钛基合金、镍基合金、钴铬合金、铝合金、铜合金及贵金属等。

 

铁基合金

铁基合金是3D 打印金属材料中研究较早、较深入的一类合金,较常用的铁基合金有工具钢、316L 不锈钢、M2 高速钢、H13 模具钢和15-5PH 马氏体时效钢等。铁基合金使用成本较低、硬度高、韧性好,同时具有良好的机械加工性,特别适合于模具制造。

 

钛及钛合金

钛及钛合金以其显著的强度高、耐热性好、耐腐蚀、生物相容性好等特点,成为医疗器械、化工设备、航空航天及运动器材等领域的理想材料。然而钛合金属于典型的难加工材料,加工时应力大、温度高,刀具磨损严重,限制了钛合金的广泛应用。而3D打印技术特别适合钛及钛合金的制造,一是3D打印时处于保护气氛环境中,钛不易与氧、氮等元素发生反应,微区局部的快速加热冷却也限制了合金元素的挥发;二是无需切削加工便能制造复杂的形状,且基于粉材或丝材材料利用率高,不会造成原材料的浪费,大大降低了制造成本。目前3D打印钛及钛合金的种类有纯TiTi6A14VTC4)和Ti6A17Nb,可广泛应用于航空航天零件(图3)及人工植入体(如骨骼,牙齿等)。

 

镍基合金

镍基合金是一类发展最快、应用最广的高温合金,其在650~1000°高温下有较高的强度和一定的抗氧化腐蚀能力,广泛用于航空航天、石油化工、船舶、能源等领域。例如,镍基高温合金可以用在航空发动机的涡轮叶片与涡轮盘。常用的3D打印镍基合金有Inconel 625Inconel718Inconel 939等。

 

钴基合金

钴基合金可作为高温合金使用,但因资源缺乏,发展受限。由于钴基合金具有比钛合金更良好的生物相容性,目前多作为医用材料使用,用于牙科植入体和骨科植入体的制造。目前常用的3D 打印钴基合金有Co 212Co 452Co 502CoCr28Mo6等。

 

铝合金

铝合金密度低,耐腐蚀性能好,抗疲劳性能较高,且具有较高的比强度、比刚度,是一类理想的轻量化材料。3D打印中使用的铝合金为铸造铝合金,常用的有AlSi10Mg、AlSi7MgAlSi9Cu3 等。

 

铜合金、镁合金、贵金属

其他金属材料如铜合金、镁合金、贵金属等需求量不及以上介绍的几种金属材料,但也有其相应的应用前景。铜合金的导热性能良好,可以制造模具的镶块或火箭发动机燃烧室。镁合金是目前实际应用中最轻的金属,且具有良好的生物相容性和可降解性,其杨氏模量与人体骨骼也最为接近,可作为轻量化材料或植入物材料。但目前镁合金3D打印工艺尚不成熟,没有进行大范围的推广。贵金属如金、银、铂等多应用于珠宝首饰等奢侈品的定制,应用范围比较有限。

 

与传统制造技术相比,3D打印不必事先制造模具,不必在制造过程中去除大量的材料,也不必通过复杂的锻造工艺就可以得到最终产品,因此,在生产上可以实现结构优化、节约材料和节省能源。3D打印技术适合于新产品开发、快速单件及小批量零件制造、复杂形状零件的制造、模具的设计与制造等,也适合于难加工材料的制造、外形设计检查、装配检验和快速反求工程等。因此,3D打印产业受到了国内外越来越广泛的关注,将成为下一个具有广阔发展前景的朝阳产业。

 

 

 

End~

 

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