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3D打印在金属领域的应用(下)

发布日期:2018-08-07 0 1188

3D打印在金属领域的应用(上)


1.3 3D打印成形设备


自1984年Charles Hull制作出第一台 3D 打印机以来,3D 打印设备发展迅速。 1986 年美国 3D System 公司推出第一款工业化的“3D 打印冶设备,投入市场后,各公司纷纷自发研制高精度的 3D 打印设备。

德国 EOS 公司研制的 EOS M 系列金属粉末烧结系统,可对模具钢、钛合金、镍铁合金等粉末金属直接烧结成形。利用该设备制造模具,可实现复杂的热流道设计,其中 M400 能成形的最大尺寸为 400 mm *400 mm *400  mm。  

Concept Laser 公司发明了 Laser CUSING专利技术,降低成形过程中的残余应力,并于2015 年 4 月推出了市场上独有的双激光头机型,生产效率提高 65% , M2双激光头能成形尺寸 250 mm * 250 mm * 280 mm。

近年来,各大公司均在 3D 打印设备精度上寻找突破口,目前成形零件尺寸不断增大,所用材料种类不断增多,但设备精度依然关系着各大公司的前景。如何令设备在相同的工艺参数下,生产精度更高的产品,是其占据市场的决定性因素。


2 3D打印技术在金属成形领域中的应用现状


2. 1生物医学领域

在生物医学领域,可通过 3D 打印进行手术预诊断、个性化设计等,在国内外都已应用到实例当中,且有了相对的突破与成果。

黄轩等人和Scott等人利用 Mimics 软件根据 X 线断层扫描结果,利用3D 打印制作出个体化枕骨髁螺钉导航模板,根据不同人骨骼的差异性,实现个性化定制。

Mika 等人利用3种方法:SLS,3DP,Polyjet 技术,制作头颅模型,通过坐标测量仪测量分析,在精确度上均适合医疗生产模式,其中 Polyjet 的数据较为准确。

在医学领域,借助计算机X线断层扫描、磁共振成像和超声诊断等医学影像数据,运用3D打印直接生成三维实体病理模型,是继X影像平片、断层扫描平片之后医学诊断领域的第3个里程碑。 在此方面德国 Karl - Heinz 等人将3D打印与磁共振成像相结合,对小老鼠头部进行扫描测试,从而创建与磁共振成像兼容的组件,通过测量、打印发现,其兼容性较好精确度较高。

3D打印技术在医学领域突显的个性化定制、精确度较高、组织重生等优势,解决了此领域无法进行手术预测等难题,降低了手术中的风险。如何短时间内模拟制作出3D模型,进行手术环境模拟,及寻找与人体器官类似的材料用于制作,是此领域的新热点。


2.2航空航天领域

3D打印技术是军民两用技术,经历了多年的潜伏期,现已进入高速发展阶段,未来的发展趋势不容小觑。

据德国 EOS 公司统计,最新的一架 F - 35 Lighte-ning Ⅱ飞机中有 1600 个部件是使用 SLS 工艺快速制造出来的。 空客的母公司欧洲宇航防务集团( EADS) 已在研究使用 SLS 制造飞机,与传统制造方法相比,降低 65% 的各部件重量。 在无人机领域,设计出来无法制造的难题得以突破,从三维图纸到产品,得以在 24小时出厂且降低成本,形成年产 5000 架不同型号无人机的产能。

王华明等人利用激光成形技术,制造了TA15飞机角盒,TC4飞机座椅支座等钛合金次承力结构件,同时研制出了最大的飞机钛合金大型结构件激光快速成形工程化成套装备( 零件激光熔化沉积真空腔尺寸达 4 000 mm *30 400 mm *2 000 mm。

黄卫东等人开发研制了五轴联动的专用激光立体快速成形机,成形尺寸最大达 600 mm *400 mm *400mm。

蒋立新等人以737无人机模型、F - 35战机的钛合金整体框架为例,阐述3D 打印在航天航空等军工领域的应用现状及其前景。

柏林等人研究钛合金在激光成形中的变形、开裂等问题,分析产生的原因,发现目前利用此技术生产应用于航空航天的负载主承力结构件难度较大。

3D打印在航空航天领域上的应用前景较为乐观,虽在产品质量和可靠性上与锻造件相比还有差距,但加工产品在尺寸精度、力学性能上有所提高。未来的产品发展方向,将从变形、开裂等问题入手,研究如何改变组织提高性能,在减轻部件重量、节省材料、保证材料性能的前提下,由非承力件、次承力件走向主承力件。


2. 3 模具领域

快速模具制造是将 3D 打印运用到模具制造上的新方法,目前该方法已在工业生产中运用,并具有良好的使用前景。主要有两大类:一类是通过选择激光烧结/ 熔融( SLS / SLM) 等技术直接成形模具,一类是快速成形原型,通过金属喷涂等手段成形铸模的方法。

美国麻省理工学院的 Cima 等人[44] 使用胶体SiO2 溶液粘结剂,利用3D 打印成形非金属材料Al2O3 ,经过高温烧结后制得陶瓷零件,其弯曲强度高达 12. 3 ~ 18. 7 MPa,可用作低熔点铸造成形的陶瓷模具。

华中科技大学采用SLS技术制造出带有CCC 碳钢合金电池盒注塑模,其寿命达到5000/副,拉伸强度约为550 MPa,精度2 ~ 3 um。通过脱脂、高温烧结和低温浸渍改性的环氧树脂的工艺方法能够提高致密度和强度。

美国 Z Corp 公司采用 Z Cast 工艺由铸造砂、其他添加物组成的501粉末材料直接成形铸模型芯、型腔,并直接用于有色金属的铸造,最高浇注温度 1100 ℃,可制造出壁厚 12 mm 的型壳。

德国EOS公司采用粉末烧结技术制作模具内部复杂的流道系统及模具外壳和异性流道系统一体成形件。发现,在异性热流道形状设计方面可提高冷却效率,突破传统模具加工的限制,提升注塑产品的生产效率和成形质量。

现阶段大多数对模具快速制造的研究集中在铸造模具、注塑模具等软金属的冲压模具上,受机械力学性能的限制,针对锻模和挤压模具的快速成形研究相对较少。因此,如何提高模具的力学性能、模具寿命,使其满足高强度模具的要求是该领域的研发热点。


3结语

随着3D打印的快速发展,应用领域的增多,可以看出要想真正的将3D打印普及,降低成本、开发新型材料、提高精度是真正的关键所在。同时,影响 3D 打印产品质量因素需继续深入研究,制作满足力学性能要求的产品。

综合3D打印研究现状可以看出,其会向着工艺设备专业化、普及化、小型化,材料选择空间多样化,成形零件的快速化与精密化并行,过程及产品节约化、绿色化,共享云端下载打印的方向发展。


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