目前,国内金属3D打印材料大部分依赖进口,价格昂贵,这也促使国内致力于3D打印金属材料的企业和机构自主研发金属3D打印材料。但是,因为金属3D打印材料本身的材料属性,其都有特定的应用领域范围,因此,金属3D打印材料选择的过程是一个权衡多个因素的过程。而且,3D打印金属不能仅仅凭借金属3D打印机的参数来衡定,每种金属材料都有适合自身特性的极限点,包括应用、功能、稳定性、耐久性、美观性、经济性都是设计师要考虑的因素。

  至于要真正加工一个近乎完美的金属件,设备载体固然重要,但是需要软件、工艺、材料相互协调,当然,用金属3D打印机制造零部件或者加工产品,首先需要熟悉材料,然后再谈精密机械。而且,金属打印,因为支撑问题,会导致后期零件无法加工,可能需要考虑更多材料成分的配比关系来迎合打印过程中其他因素对材料特性的影响。以3D打印航空航天零部件为例,航空航天上使用的金属部件都是在极端环境下的,具有强抗腐蚀性、耐高温、金属强度高的特点,如果不熟悉材料特征,如何利用3D打印控制制造金属零部件呢?因此,熟悉材料就显得尤为重要。


黑色金属

1.不锈钢
不锈钢(Stainless Steel)是不锈耐酸钢的简称,耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质或具有不锈性的钢种称为不锈钢;而将耐化学腐蚀介质(酸、碱、盐等化学浸蚀)腐蚀的钢种称为耐酸钢。由于两者在化学成分上的差异而使他们的耐蚀性不同,普通不锈钢一般不耐化学介质腐蚀,而耐酸钢则一般均具有不锈性。

 

不锈钢材料打印的启瓶器


不锈钢是最廉价的金属打印材料,经3D打印出的高强度不锈钢制品表面略显粗糙,且存在麻点。不锈钢具有各种不同的光面和磨砂面,常被用作珠宝、功能构件和小型雕刻品等的3D打印。
2.高温合金
高温合金具有优异的高温强度,良好的抗氧化和抗热腐蚀性能,良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能,已成为军民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的关键材料。

 

高温合金材料主要应用在航空工业领域
高温合金因其强度高、化学性质稳定、不易成型加工和传统加工工艺成本高等因素已成为航空工业应用的主要3D打印材料。随着3D打印技术的长期研究和进一步发展,3D打印制造的飞机零件因其加工的工时和成本优势已得到了广泛的应用。

有色金属
1.钛
钛金属外观似钢,具有银灰光译,是一种过渡金属,在过去一段时间内人们一直认为它是一种稀有金属。钛并不是稀有金属,钛在地壳中约占总重量的0.42%,是 铜、镍、铅、锌的总量的16倍。在金属世界里排行第七,含钛的矿物多达70多种。钛的强度大,密度小,硬度大,熔点高,抗腐蚀性很强;高纯度钛具有良好的可塑性,但当有杂质存在时变得脆而硬

 


      金属3D打印材料应用最为广泛的金属粉末合金主要有纯钛及钛合金、铝合金、镍基合金、钴铬合金、铜基合金等。
  目前应用于市场的纯钛,又称商业纯钛,分为1级和2级粉体,2级强于1级,对于大多数的应用同样具有耐腐蚀性。因为纯钛2级具有良好的生物相容性,因此在医疗行业具有广泛的应用前景。
  钛是钛合金产业的关键。目前,应用于金属3D打印的钛合金主要是钛合金5级和钛合金23级,因为其优异的强度和韧性,结合耐腐蚀、低比重和生物相容性,所以在航空航天和汽车制造中具有非常理想的应用,而且,因为强度高、模量低、耐疲劳性强,应用于生产生物医学植入物。钛合金23级,纯度更高,是神级一样的牙科和医疗钛品级。


NASA利用钛金属粉末制作的涡轮泵
采用3D打印技术制造的钛合金零部件,强度非常高,尺寸精确,能制作的最小尺寸可达1mm,而且其零部件机械性能优于锻造工艺。英国的Metalysis公司利用钛金属粉末成功打印了叶轮和涡轮增压器等汽车零件。此外,钛金属粉末耗材在3D打印汽车、航空航天和国防工业上都将有很广阔的应用前景。

2.镁铝合金

 

日本佳能公司利用3D打印技术制造出了顶级单反相机镁铝合金特殊曲面顶盖



镁铝合金打印的零部件质量较轻
镁铝合金因其质轻、强度高的优越性能,在制造业的轻量化需求中得到了大量应用,在3D打印技术中,它也毫不例外地成为各大制造商所中意的备选材料。


3.铝合金


 

 目前,应用于金属3D打印的铝合金主要有铝硅AlSi12和AlSi10Mg两种。铝硅12,是具有良好的热性能的轻质增材制造金属粉末,可应用于薄壁零件如换热器或其他汽车零部件,还可应用于航空航天及航空工业级的原型及生产零部件;硅/镁组合使铝合金更具强度和硬度,使其适用于薄壁以及复杂的几何形状的零件,尤其是在具有良好的热性能和低重量场合中。


4.镓


 


镓主要用作液态金属合金的3D打印材料
镓(Ga)主要用作液态金属合金的3D打印材料,它具有金属导电性,其粘度类似于水,不同于汞(Hg),镓既不含毒性,也不会蒸发。镓可用于柔性和伸缩性的电子产品,液态金属在可变形天线的软伸缩部件、软存储设备、超伸缩电线和软光学部件上已得到了应用。

5.镓-铟合金


北卡罗琳州立大学化学和生物分子工程的副教授Michael Dickey利用镓(Ga)与铟(In)的液态金属合金通过3D打印技术在室温下创造了一种三维的自立式结构,这一奇迹的诞生得益于镓-铟合金在空气中与氧气发生反应形成了一层能够保持零件形状的氧化膜。这一技术在3D打印中被用于连接电子部件。

6.镍基合金

 

一般情况下,镍基合金都具有良好的抗拉伸、抗疲劳和抗热疲劳性能。目前,主要有Inconel 738、Hastelloy X、Inconel 625、Inconel 713、Inconel 718等。

  Inconel 738具有良好的高温蠕变断裂强度,抗热腐蚀性是较低铬含量的超合金,可长期暴露于高达920-980℃的高温腐蚀性的环境中,适用于飞机发动机、燃气轮机。

  Hastelloy X在高温下具有高强度和抗氧化性,在高达1200℃的环境中,也具有良好的延展性,目前,主要应用于航空航天技术中,例如燃气轮机部件和燃烧区组件如过渡管、燃烧器罐、喷杆、排气管、加力燃烧室等;而且还因为具有耐应力腐蚀开裂的性能,应用于工业炉、石油化工及化学过程工业中。

  Inconel 625在高温约815℃的条件下依然具有良好的负载性能,而且耐腐蚀性强,广泛应用于航空航天、化工及电力工业中。

  Inconel 713具有优异的抗热疲劳性能,以及在927℃的特殊断裂强度,适用于喷气发动机燃气轮机叶片。


7.铜基合金


 

应用于市场的铜基合金,俗称青铜,具有良好的导热性和导电性,可以结合设计自由度,产生复杂的内部结构和冷却通道,适合冷却更有效的工具插入模具,如半导体器件,也可用于微型换热器,具有壁薄、形状复杂的特征。


8.钴铬合金


 

钴铬合金具有高强度、耐腐蚀性强、良好的生物相容性以及无磁性的性能,主要应用于外科植入物包括合金人工关节、膝关节和髋关节,同时其还可用于发动机部件以及时装、珠宝行业等。


9.稀贵金属


3D打印的黄铜戒指


3D打印的产品在时尚界的影响力越来越大。世界各地的珠宝设计师受益最大的就是将3D打印快速原型技术作为一种强大且可以方便替代其他制造方式的创意产业。在饰品3D打印材料领域,常用的有金、纯银、黄铜等。

陶瓷材料
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。

 

3D打印的陶瓷材料


硅酸铝陶瓷粉末能够用于3D打印陶瓷产品,3D打印的该陶瓷制品不透水、耐热温度可达600摄氏度,可回收、五毒,但其强度不高,可作为理想的炊具、餐具(杯、碗、盘子、蛋杯和杯垫)和烛台、瓷砖、花瓶、艺术品等家居装饰材料。

复合材料
复合材料制作的3D打印仿生肌电假手
美国硅谷Arevo实验室3D打印出了高强度碳纤维增强复合材料。相比于传统的挤出或注塑定型方法,3D打印时通过精确控制碳纤维的取向,优化特定机械、电和热性能,能够严格设定其综合性能。由于3D打印的复合材料零件一次只能制造一层,每一层可以实现任何所需的纤维取向。结合增强聚合物材料打印的复杂形状零部件具有出色的耐高温和抗化学性能。

3D打印的超强聚合物部件

美国科学家用石墨烯3D打印出超轻超薄的超级电容

而备受瞩目的3D打印技术,材料成为其能否“有所作为”的重要指标。我国的基础材料产业多年来虽然受到国家的不少关注,但是一直处于被世界发达国家压迫的窘境,而当前的3D打印材料产业更是如此。


事实上,国产3D打印设备对应的耗材目前极为短缺,主要原因在于:便宜的耗材赚不到钱,厂家不愿意生产,而较贵的耗材现有技术跟不上,由于缺少政策扶持和补贴,厂家又不愿意投入资金和人力成本去研发,虽说这跟很多企业自身有很大关系,但缺少国家体制和政策支持也是一大原因。

综上所述,3D打印这项技术的发展和应用,还得依靠基础材料产业的发展,这也是国内3D打印产业的一大“病根”。近几年,3D打印技术得到快速发展,应用领域也更为广泛,但在材料供给上并不乐观,成为制约3D打印进一步发展的技术瓶颈。


2017年07月13日

南航大学铝基纳米复合材料的3D打印制备方法
3D打印如何变革军工业

上一篇

下一篇

世界上都有哪些金属3D打印材料?

添加时间:

本网站由阿里云提供云计算及安全服务 Powered by CloudDream