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小贴士 | 3D打印技术的重中之重——打印材料


发布时间:2019-03-19 来源:互联网 

  前言


  早在2012年的时候,英国著名杂志《经济学人》发表专题报告指出,全球工业正在经历将对制造业的发展产生巨大影响的第三次工业革命,其中,3D打印(3D printing)技术,是一项具有代表性的技术,该技术结合高速发展的数字化领域发生了革命性的重大突破。而对于3D打印技术来说,最关键的不是设备的制造,而是打印材料的研发。


  3D打印技术简介


3D打印技术发展至今.jpg


  在学术上,3D打印技术又称为“增材制造技术”,是一种基于三维CAD模型数据,通过增加材料逐层制造的方法,采用直接制造与相应数学模型完全一致的三维物理实体模型。美国材料与试验协会(ASTM)于2009年公布了3D打印的定义,即“一种相对于减材制造, 通过层层连接材料,直接立体成形三维物体的过程”。


  3D打印技术的发展起源,可追溯至20世纪70年代末到80年代初期,美国和日本分别由研究者各自独立地提出了这种概念。1986年,美国的Charles Hull,率先利用自己提出的“光固化成型技术”,创立了世界上第一家3D打印设备公司,即3D Systems公司,并于1988年生产出了世界上第一台3D打印机SLA-250,这是3D打印技术发展的一个里程碑。此后,3D打印技术经过一系列发展,在2000年,由Objet Geometries公司推出了首部可用于办公环境的商品化3D打印机。3D打印设备制造商主要集中在美国、德国、以色列、日本和瑞典等,并以美国为主导。


  3D打印之所以如此备受欢迎,是因为它能够将物体的复制、设计和制造快速的由概念变为现实。本质上,它与普通打印工作原理基本相同,打印机内装有液体或粉末等“打印材料”,与电脑连接后,通过电脑控制把 “打印材料”一层层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物。3D打印技术的特点主要是数字制造、分层制造、快速制造、直接制造,具有无模具成形、复杂结构成形、一体化成形等特殊功能,在珠宝工艺、工业设计、建筑模型、汽车建模、航空航天等领域都有所应用。


  3D打印材料制造技术


  近年来,3D打印行业发展迅猛,以年均约30%的速度在增长。相较技术与业务的增长,媒体的关注度大幅提升,甚至有些过热。但事实上,3D打印并不是神器,仍有很多需要改进之处。而3D打印材料,就是目前限制该技术广泛应用的关键因素。


  3D打印对原材料的要求十分苛刻,满足打印条件的材料,需要以粉末或丝棒状形态提供,而在在材料融化后,必须在软件程序驱动下,自动按设计工艺完成各切片的凝固,使材料重新结合起来,完成成型。


3D打印的产品.jpg


  也就是说,在整个过程中,涉及到材料的快速融化和凝固等物态变化,因此对适用的材料性能要求极高,材料成本居高不下。比如,即使打印一个手机大小的产品,整个耗材价格至少要 150元以上。


  3D打印的应用领域按照工艺水平分,主要可以分为“快速原型制造技术”和“高性能金属构件直接制造技术”两大类,它们所采用的打印材料也有所不同。


  快速原型制造技术


  目前公众所了解的3D打印成果和案例大多属于“快速原型制造技术”范畴,目前,该技术已经成为工业模型和制造中的一项关键技术。


  它最早采用的原料主要是塑料、树脂、石蜡、纸等,用途集中在新产品的快速设计方面。经过技术的不断改进和发展,“快速原型制造技术”不再局限于使用树脂、石蜡等原料进行模型设计,而是引入了特种粉体材料,从而使设计者可以更加直观、生动的观察设计作品。通过该技术,可以简便、快速地实现设计的优化和产品的评估。


  “快速原型制造技术”领域目前已经有了比较成熟的发展,应用于该技术的工程塑料、树脂等有很多不同的类型,这些材料必须满足一定的强度、刚性、耐潮湿性和热稳定性要求。


3D打印的汽车零件.jpg


  常用的聚合物材料主要可以分为两类,即ABS型聚合物以及PLA型聚合物。其中ABS为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯,PLA为聚乳酸,在此基础上,有很多改进材料也被研究和提出。除此之外,橡胶类和树脂类的材料也是3D打印“快速原型制造技术”的常用打印材料,而被引进到了该领域。


  【原料分类】3D打印快速原型制造技术使用的各种材料的不同特性及应用领域列于下表。


  高性能金属构件直接制造技术


  高性能金属构件直接制造技术起步于 20世纪 90年代初,工艺难度比较大,主要采用高功率的能量束如激光或电子束作为热源,使粉末材料进行选区熔化,冷却结晶后形成严格按设计制造的堆积层,堆积层连续成型,形成最终产品。


  到目前为止,工业上的小型金属构件直接制造相对容易,体积较大的金属构件的直接制造难度非常大,对材料和工艺控制的要求很高,这也将是3D打印技术推动相关产业发展的重要方向。而这项工艺中,最大的难处就在于打印材料及成型工艺。

  正因为此,近年来,“金属构件直接制造”所使用的高性能特种粉体材料备受关注。高性能金属构件直接制造所用材料主要是钛及钛合金粉末材料。


  钛及钛合金粉末材料,采用粉末冶金法制造零部件,是少切削或无切削的净成型工艺,金属的利用率接近100%,是降低钛及钛合金零件使用成本的最佳方式。镍基或钴基的高温合金粉末的制备方法主要有雾化法、旋转电极法、还原法等,经历近 200年的发展,雾化法已经成为生产高性能金属及合金粉末的主要方法。


  【实例】下图是利用3D打印技术将钛粉快速而高效地打印成精致的手表图片,该手表中有主壳体、边框和表带由3D打印完成。钛手表的3D打印技术主要是利用激光逐层熔融钛粉,直至形成最终的形状。烧结过程形成的精细纹理造就了壳体表面的独特外观,纹理颜色呈现出由中灰色到深灰色的差异,其纹理粗细也各不相同,从而使得每一块手表都具有独一无二的质感。


  在有色金属领域,除钛金属及其合金,镁铝合金、镓、镓-铟合金、黄铜等也在3D打印技术中也有着一定的研究基础和应用。这些合金质量轻、强度高,表面有光泽,因此打印得到的样件具有很好的优势。如镁铝合金打印得到的单反相机壳体上的曲面顶盖、镓金属及镓-铟合金打印得到的液态金属等。这些材料虽然有着非常可观的应用前景,但还存在着某些局限性,工业化应用成本极高,切液态金属结构由于本身不能固定而需包裹在聚合物基体中。如何改善这一现状,是有色金属领域工作者应该面对的问题。


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  未来高温合金、钛合金材质等大型金属构件的激光快速成形,将成为主要技术的攻关方向。


  3D打印在我国的发展


  目前在我国,3D打印技术处于快速发展阶段,产业体量相对较小。而在打印材料方面,我国还相对落后。目前,我国3D打印用材料,大都由快速成型厂家直接提供,尚未实现第三方供应通用材料的模式,导致材料的成本非常高。而用于金属构件直接制造的材料,则主要依赖进口,国产化的同类材料目前还存在着氧含量高、球形度差、成分均匀性差以及粒度分布不佳等问题。同时,国内针对专用于3D打印的粉末制备研究还不够多,这在一定程度上限制着我国高端3D打印产业的进一步发展。


  总之,国内从政府到企业,普遍认可3D打印技术的发展前景,普遍关注未来3D打印技术将对我国现有的生产、经济、制造模式等造成的影响。


  总结


  未来 3D打印产业需要不懈追求的目标仍将是:“研发出更多种类的材料”、“使材料获得与工艺更匹配的性能”以及“实现更高的制备工艺精度和更廉的原材料价格” ,这就给我们有色金属行业从业者提供了一个重要的机遇,我们要抓准机遇,开拓进取,使“3D打印”这一关键技术能够得以发展成熟。


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