目前,國內金屬3D打印材料大部分依賴進口,價格昂貴,這也促使國內致力于3D打印金屬材料的企業和機構自主研發金屬3D打印材料。但是,因為金屬3D打印材料本身的材料屬性,其都有特定的應用領域范圍,因此,金屬3D打印材料選擇的過程是一個權衡多個因素的過程。而且,3D打印金屬不能僅僅憑借金屬3D打印機的參數來衡定,每種金屬材料都有適合自身特性的極限點,包括應用、功能、穩定性、耐久性、美觀性、經濟性都是設計師要考慮的因素。

  至于要真正加工一個近乎完美的金屬件,設備載體固然重要,但是需要軟件、工藝、材料相互協調,當然,用金屬3D打印機制造零部件或者加工產品,首先需要熟悉材料,然后再談精密機械。而且,金屬打印,因為支撐問題,會導致后期零件無法加工,可能需要考慮更多材料成分的配比關系來迎合打印過程中其他因素對材料特性的影響。以3D打印航空航天零部件為例,航空航天上使用的金屬部件都是在極端環境下的,具有強抗腐蝕性、耐高溫、金屬強度高的特點,如果不熟悉材料特征,如何利用3D打印控制制造金屬零部件呢?因此,熟悉材料就顯得尤為重要。


黑色金屬

1.不銹鋼
不銹鋼(Stainless Steel)是不銹耐酸鋼的簡稱,耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質或具有不銹性的鋼種稱為不銹鋼;而將耐化學腐蝕介質(酸、堿、鹽等化學浸蝕)腐蝕的鋼種稱為耐酸鋼。由于兩者在化學成分上的差異而使他們的耐蝕性不同,普通不銹鋼一般不耐化學介質腐蝕,而耐酸鋼則一般均具有不銹性。

 

不銹鋼材料打印的啟瓶器


不銹鋼是最廉價的金屬打印材料,經3D打印出的高強度不銹鋼制品表面略顯粗糙,且存在麻點。不銹鋼具有各種不同的光面和磨砂面,常被用作珠寶、功能構件和小型雕刻品等的3D打印。
2.高溫合金
高溫合金具有優異的高溫強度,良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能,良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能,已成為軍民用燃氣渦輪發動機熱端部件不可替代的關鍵材料。

 

高溫合金材料主要應用在航空工業領域
高溫合金因其強度高、化學性質穩定、不易成型加工和傳統加工工藝成本高等因素已成為航空工業應用的主要3D打印材料。隨著3D打印技術的長期研究和進一步發展,3D打印制造的飛機零件因其加工的工時和成本優勢已得到了廣泛的應用。

有色金屬
1.鈦
鈦金屬外觀似鋼,具有銀灰光譯,是一種過渡金屬,在過去一段時間內人們一直認為它是一種稀有金屬。鈦并不是稀有金屬,鈦在地殼中約占總重量的0.42%,是 銅、鎳、鉛、鋅的總量的16倍。在金屬世界里排行第七,含鈦的礦物多達70多種。鈦的強度大,密度小,硬度大,熔點高,抗腐蝕性很強;高純度鈦具有良好的可塑性,但當有雜質存在時變得脆而硬

 


      金屬3D打印材料應用最為廣泛的金屬粉末合金主要有純鈦及鈦合金、鋁合金、鎳基合金、鈷鉻合金、銅基合金等。
  目前應用于市場的純鈦,又稱商業純鈦,分為1級和2級粉體,2級強于1級,對于大多數的應用同樣具有耐腐蝕性。因為純鈦2級具有良好的生物相容性,因此在醫療行業具有廣泛的應用前景。
  鈦是鈦合金產業的關鍵。目前,應用于金屬3D打印的鈦合金主要是鈦合金5級和鈦合金23級,因為其優異的強度和韌性,結合耐腐蝕、低比重和生物相容性,所以在航空航天和汽車制造中具有非常理想的應用,而且,因為強度高、模量低、耐疲勞性強,應用于生產生物醫學植入物。鈦合金23級,純度更高,是神級一樣的牙科和醫療鈦品級。


NASA利用鈦金屬粉末制作的渦輪泵
采用3D打印技術制造的鈦合金零部件,強度非常高,尺寸精確,能制作的最小尺寸可達1mm,而且其零部件機械性能優于鍛造工藝。英國的Metalysis公司利用鈦金屬粉末成功打印了葉輪和渦輪增壓器等汽車零件。此外,鈦金屬粉末耗材在3D打印汽車、航空航天和國防工業上都將有很廣闊的應用前景。

2.鎂鋁合金

 

日本佳能公司利用3D打印技術制造出了頂級單反相機鎂鋁合金特殊曲面頂蓋



鎂鋁合金打印的零部件質量較輕
鎂鋁合金因其質輕、強度高的優越性能,在制造業的輕量化需求中得到了大量應用,在3D打印技術中,它也毫不例外地成為各大制造商所中意的備選材料。


3.鋁合金


 

 目前,應用于金屬3D打印的鋁合金主要有鋁硅AlSi12和AlSi10Mg兩種。鋁硅12,是具有良好的熱性能的輕質增材制造金屬粉末,可應用于薄壁零件如換熱器或其他汽車零部件,還可應用于航空航天及航空工業級的原型及生產零部件;硅/鎂組合使鋁合金更具強度和硬度,使其適用于薄壁以及復雜的幾何形狀的零件,尤其是在具有良好的熱性能和低重量場合中。


4.鎵


 


鎵主要用作液態金屬合金的3D打印材料
鎵(Ga)主要用作液態金屬合金的3D打印材料,它具有金屬導電性,其粘度類似于水,不同于汞(Hg),鎵既不含毒性,也不會蒸發。鎵可用于柔性和伸縮性的電子產品,液態金屬在可變形天線的軟伸縮部件、軟存儲設備、超伸縮電線和軟光學部件上已得到了應用。

5.鎵-銦合金


北卡羅琳州立大學化學和生物分子工程的副教授Michael Dickey利用鎵(Ga)與銦(In)的液態金屬合金通過3D打印技術在室溫下創造了一種三維的自立式結構,這一奇跡的誕生得益于鎵-銦合金在空氣中與氧氣發生反應形成了一層能夠保持零件形狀的氧化膜。這一技術在3D打印中被用于連接電子部件。

6.鎳基合金

 

一般情況下,鎳基合金都具有良好的抗拉伸、抗疲勞和抗熱疲勞性能。目前,主要有Inconel 738、Hastelloy X、Inconel 625、Inconel 713、Inconel 718等。

  Inconel 738具有良好的高溫蠕變斷裂強度,抗熱腐蝕性是較低鉻含量的超合金,可長期暴露于高達920-980℃的高溫腐蝕性的環境中,適用于飛機發動機、燃氣輪機。

  Hastelloy X在高溫下具有高強度和抗氧化性,在高達1200℃的環境中,也具有良好的延展性,目前,主要應用于航空航天技術中,例如燃氣輪機部件和燃燒區組件如過渡管、燃燒器罐、噴桿、排氣管、加力燃燒室等;而且還因為具有耐應力腐蝕開裂的性能,應用于工業爐、石油化工及化學過程工業中。

  Inconel 625在高溫約815℃的條件下依然具有良好的負載性能,而且耐腐蝕性強,廣泛應用于航空航天、化工及電力工業中。

  Inconel 713具有優異的抗熱疲勞性能,以及在927℃的特殊斷裂強度,適用于噴氣發動機燃氣輪機葉片。


7.銅基合金


 

應用于市場的銅基合金,俗稱青銅,具有良好的導熱性和導電性,可以結合設計自由度,產生復雜的內部結構和冷卻通道,適合冷卻更有效的工具插入模具,如半導體器件,也可用于微型換熱器,具有壁薄、形狀復雜的特征。


8.鈷鉻合金


 

鈷鉻合金具有高強度、耐腐蝕性強、良好的生物相容性以及無磁性的性能,主要應用于外科植入物包括合金人工關節、膝關節和髖關節,同時其還可用于發動機部件以及時裝、珠寶行業等。


9.稀貴金屬


3D打印的黃銅戒指


3D打印的產品在時尚界的影響力越來越大。世界各地的珠寶設計師受益最大的就是將3D打印快速原型技術作為一種強大且可以方便替代其他制造方式的創意產業。在飾品3D打印材料領域,常用的有金、純銀、黃銅等。

陶瓷材料
陶瓷材料具有高強度、高硬度。耐高溫、低密度、化學穩定性好、耐腐蝕等優異特性,在航空航天、汽車、生物等行業有著廣泛的應用。

 

3D打印的陶瓷材料


硅酸鋁陶瓷粉末能夠用于3D打印陶瓷產品,3D打印的該陶瓷制品不透水、耐熱溫度可達600攝氏度,可回收、五毒,但其強度不高,可作為理想的炊具、餐具(杯、碗、盤子、蛋杯和杯墊)和燭臺、瓷磚、花瓶、藝術品等家居裝飾材料。

復合材料
復合材料制作的3D打印仿生肌電假手
美國硅谷Arevo實驗室3D打印出了高強度碳纖維增強復合材料。相比于傳統的擠出或注塑定型方法,3D打印時通過精確控制碳纖維的取向,優化特定機械、電和熱性能,能夠嚴格設定其綜合性能。由于3D打印的復合材料零件一次只能制造一層,每一層可以實現任何所需的纖維取向。結合增強聚合物材料打印的復雜形狀零部件具有出色的耐高溫和抗化學性能。

3D打印的超強聚合物部件

美國科學家用石墨烯3D打印出超輕超薄的超級電容

而備受矚目的3D打印技術,材料成為其能否“有所作為”的重要指標。我國的基礎材料產業多年來雖然受到國家的不少關注,但是一直處于被世界發達國家壓迫的窘境,而當前的3D打印材料產業更是如此。


事實上,國產3D打印設備對應的耗材目前極為短缺,主要原因在于:便宜的耗材賺不到錢,廠家不愿意生產,而較貴的耗材現有技術跟不上,由于缺少政策扶持和補貼,廠家又不愿意投入資金和人力成本去研發,雖說這跟很多企業自身有很大關系,但缺少國家體制和政策支持也是一大原因。

綜上所述,3D打印這項技術的發展和應用,還得依靠基礎材料產業的發展,這也是國內3D打印產業的一大“病根”。近幾年,3D打印技術得到快速發展,應用領域也更為廣泛,但在材料供給上并不樂觀,成為制約3D打印進一步發展的技術瓶頸。


2017年07月13日

南航大學鋁基納米復合材料的3D打印制備方法
3D打印如何變革軍工業

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