金屬3D打印技術(shù)及其專用電源的研究進(jìn)展
近年來，3D打印技術(shù)逐漸應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品的制造，特別是金屬材料的制造。在國防領(lǐng)域，歐美發(fā)達(dá)國家重視3D印刷技術(shù)的發(fā)展，投入大量資金研究，3D印刷金屬部件一直是研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。它不能打印模具、自行車、槍支等武器，甚至不能打印汽車、飛機(jī)等大型設(shè)備。三維打印作為一種新的制造技術(shù)，在設(shè)備設(shè)計(jì)與制造、設(shè)備保障、航空航天等領(lǐng)域顯示出了非常廣闊的應(yīng)用前景，并顯示出強(qiáng)大的發(fā)展勢頭。
1 3D打印概述
1.1 基本概述
3D打印技術(shù)的核心思想起源于19世紀(jì)末的美國，但直到20世紀(jì)80年代中期才形成。1986年，美國查爾斯·赫爾發(fā)明了臺3D打印機(jī)。3D打印技術(shù)于1991年在中國開始研究。大約在2000年，這些過程開始從實(shí)驗(yàn)室研究到工程和生產(chǎn)逐漸發(fā)展。當(dāng)時(shí)，它的名字是快速原型技術(shù)（RP），這是在開發(fā)樣本之前的物理模型。現(xiàn)在又被稱為快速成型技術(shù)，材料加成制造。但為了方便公眾接受，這種新技術(shù)統(tǒng)稱為3D打印。三維打印是一種基于數(shù)字模型設(shè)計(jì)的快速成型技術(shù)，三維物體的生成技術(shù)是利用金屬粉末或樹脂等粘合材料層層“增料”印刷而成。3D打印被稱為“上個(gè)世紀(jì)的思想和技術(shù)，本世紀(jì)的市場”。
1.2 3D打印特點(diǎn)
1)精度高。目前，3D打印裝置的精度可以控制在0.3mm以下。
2）短周期。3D打印不需要模具的制造工藝，大大縮短了模型的生產(chǎn)時(shí)間。一般來說，模型可以在幾小時(shí)甚至幾十分鐘內(nèi)打印出來。
3)個(gè)性化。3D打印對打印模型的數(shù)量沒有限制，無論是否可以以相同的成本進(jìn)行一個(gè)或多個(gè)打印。
4）材料的多樣性。3D打印系統(tǒng)可以打印不同的材料，這些材料的多樣性可以滿足不同領(lǐng)域的需要。
5)成本相對較低。雖然目前3D打印系統(tǒng)和3D打印材料相對昂貴，但如果用于制作個(gè)性化產(chǎn)品，其生產(chǎn)成本相對較低。
2 金屬3D打印技術(shù)
金屬零件三維打印技術(shù)是整個(gè)三維打印系統(tǒng)中進(jìn)、最有潛力的技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和普及應(yīng)用的需要，利用快速成型直接制造金屬功能零件已成為快速成型的主要發(fā)展方向。目前，直接制造金屬功能件的快速成型方法主要有：選擇性激光熔接（SLM）、電子束選擇性熔接（EBSM）、激光工程網(wǎng)成型（透鏡）等。
2.1激光工程清潔成形技術(shù)（透鏡）。
透鏡是桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室提出的一種新的快速成型技術(shù)。它的特點(diǎn)是直接制造具有復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)的金屬功能零件或模具；多種可加工金屬或合金材料可以實(shí)現(xiàn)非均勻材料零件的制造；便于加工熔點(diǎn)高、加工難度大的材料。
blob.png
透鏡是在激光熔覆技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的金屬零件三維打印技術(shù)。所述金屬粉末采用中強(qiáng)激光同步熔化，并按預(yù)定軌跡逐層沉積在基片上，最終形成金屬零件。1999年，Lens Technology被評為美國工業(yè)“創(chuàng)意的25項(xiàng)技術(shù)”之一。國外學(xué)者對透鏡法制備的奧氏體不銹鋼試樣的硬度分布進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，試樣的維氏硬度隨加工層數(shù)的增加而降低。
采用透鏡法制備了承重植入體的多孔梯度結(jié)構(gòu)。所用材料為鎳、鈦等與人體相容性好的合金。植入物的孔隙率為70%，植入物的使用壽命為7-12年。克里希納等人。用Ti6Al4V和CoCrMo合金制備了多孔生物植入體，并對其力學(xué)性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，當(dāng)孔隙率為10%時(shí)，楊氏模量可達(dá)90 GPa；當(dāng)孔隙率為70%時(shí)，楊氏模量降至2 GPa。張等。制備了網(wǎng)狀鐵基（Fe-B-Cr-C-Mn-Mo-W-Zr）金屬玻璃（MG）模塊，發(fā)現(xiàn)MG的顯微硬度達(dá)到9.52GPA。采用LNS法對GTD-111定向凝固高溫合金進(jìn)行了修復(fù).采用透鏡法制備了國產(chǎn)薛春芳及其它具有良好組織、顯微硬度和力學(xué)性能的鈷基高溫合金薄壁件。通過透鏡工藝形成非變形Ni-Cu-Sn合金試樣。

復(fù)合材料零件增材制造技術(shù)
目前，材料添加制造的主要目的是制造單一材料的零件，如單一的聚合物材料和單一的金屬材料，目前正向單一陶瓷材料發(fā)展。隨著零件性能要求的提高，復(fù)合材料或梯度材料零件已成為急需開發(fā)的產(chǎn)品。例如，今后需要鈦合金和CoCrMo合金的復(fù)合，不僅要保證人工關(guān)節(jié)具有良好的耐磨界面(CoCrMo合金保證)，而且要與骨組織(Ti合金)具有良好的生物相容性，這就要求人工關(guān)節(jié)具有復(fù)合結(jié)構(gòu)。由于增量制造中微單元的積累過程，每個(gè)積累單元可以通過不斷地改變材料來實(shí)現(xiàn)不同材料在一個(gè)零件中的組合，從而實(shí)現(xiàn)受控制造。
提到3D打印，很多**印象是塑料或樹脂印刷，但事實(shí)上，金屬也可以打印在3D！早在2015年，就有報(bào)道稱西班牙患者植入了世界上*復(fù)雜的三維印刷金屬胸骨。由此可見，金屬立體印刷在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域很早就發(fā)揮了重要作用。
或者金屬3D印刷是要燒結(jié)的粉末層,層間結(jié)合當(dāng)然不好,有缺陷,機(jī)械性能不超過傳統(tǒng)的成型方式。如果你這么想，你就出局了！事實(shí)上，金屬 3D 打印層和層與熔池結(jié)合，縱向性能不差，甚至可以超過橫向。隨著科技的發(fā)展，金屬三維打印的性能已經(jīng)超過了鑄造和鍛造。下面，我們深入了解從金屬3D打印的五個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域！
EOS北美航空航天業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理Scott Killian表示，當(dāng)公司開始時(shí)，他們很容易轉(zhuǎn)向增材制造服務(wù)供應(yīng)商的部分零件。 “一旦公司投入生產(chǎn)，他們就必須弄清楚供應(yīng)鏈?zhǔn)欠袢阅軡M足他們的需求，”他補(bǔ)充說。 “現(xiàn)在有很多潮流和流動讓供應(yīng)鏈增加?！?br>許多航天公司直接與EOS（一家德國3D打印機(jī)制造商）或由增材制造服務(wù)提供商運(yùn)營的EOS設(shè)備上的打印部件合作。 Killian可以討論的火箭客戶是Launcher。這家開發(fā)3D打印銅雙金屬發(fā)動機(jī)的紐約公司已同意與EOS展開聯(lián)合營銷活動。
“他們希望公開談?wù)撍麄冋谧鍪裁匆约八麄冋谧鍪裁?，”基利安說。 “他們還希望在他們前進(jìn)的過程中與我們密切合作?！?br>Launcher在5月發(fā)布推文，它生產(chǎn)出世界上的3D打印燃燒室，由單個(gè)部件組成。
由于EOS開始公開談?wù)撈渑cLauncher的合作，許多運(yùn)載火箭開發(fā)商已聯(lián)系該公司討論增材制造。 Killian說，一些早期公司已經(jīng)考慮了EOS機(jī)器的價(jià)格標(biāo)簽并決定不購買機(jī)器。
“我們實(shí)際上遇到過這些創(chuàng)業(yè)公司的情況，他們與我們交談并決定與服務(wù)部門合作，直到將設(shè)備帶入并自行完成工作才有意義，”Killian說。 “我們不一定會直接與很多火箭公司做很多事情，但我們的平臺在那里幫助他們?！?br> 3D打印新型熱電裝置創(chuàng)效率記錄-3d打印資訊
英國的研究人員在3D打印電子產(chǎn)品的性能方面取得了突破，通過一種新穎的制造方法創(chuàng)造出一種新型熱電裝置，將廢熱轉(zhuǎn)化為能源。該團(tuán)隊(duì)在《先進(jìn)能源材料》雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于其工作的論文。
研究人員表示，該裝置由斯旺西大學(xué)SPECIFIC創(chuàng)新和知識中心的研究人員開發(fā)，將熱量轉(zhuǎn)換為電能，其效率比以前打印設(shè)備的性能高50％。該中心旨在開發(fā)減少碳排放的技術(shù)，包括更的建筑和工業(yè)流程。

3 SLM應(yīng)用
SLM材料
SLM技術(shù)中使用的粉末材料可分為三類：混合粉末、合金粉末和元素金屬粉末。
一、混合粉末。混合粉末由一定比例的不同粉末組成?，F(xiàn)有的研究表明，成形密度和均勻性對SLM成形零件的力學(xué)性能有影響，但混合粉末的密度目前仍需提高。
二。預(yù)合金粉末。按成分可分為鎳基、鈷基、鈦基、鐵基、鎢基、銅基等.結(jié)果表明，采用預(yù)合金粉末材料制備的零件密度可達(dá)95%以上。
三。金屬粉末。一般來說，一次金屬粉末主要是鈦，具有良好的成型性，可達(dá)到98%的密度。
目前，SLM技術(shù)主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，在復(fù)雜模具、個(gè)性化部件、航空航天、汽車等領(lǐng)域具有突出的技術(shù)優(yōu)勢。
航空航天
在研制載人航天器Superdraco的過程中，SpaceX利用SLM技術(shù)研制了載人航天器發(fā)動機(jī)。其冷卻通道、噴頭、節(jié)流閥等的結(jié)構(gòu)非常高，3D打印可以很好地解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造問題。SLM制造的零件的強(qiáng)度、韌性和斷裂強(qiáng)度能滿足各種苛刻的要求，使Superdraco在高溫高壓下工作。


SLS優(yōu)勢：
1.可以使用寬范圍的材料?？墒褂玫牟牧习猃垺⒕郾揭蚁┖推渌酆衔?、鐵、鈦、合金和其它金屬、陶瓷、涂層砂等。
2。成形效率高。由于SLS技術(shù)不能完全熔化粉末SLS工藝原理
激光燒結(jié)技術(shù)是最復(fù)雜的三維打印技術(shù)之一，其成型原理最復(fù)雜，條件越，設(shè)備和材料成本，但也是目前對3D打印技術(shù)發(fā)展影響最深遠(yuǎn)的技術(shù)之一。理論上，任何能在加熱后形成原子間鍵合的粉末材料都可以用作SLS的成型材料。目前，可用于SLS設(shè)備印刷的材料主要是石蠟、尼龍、金屬、陶瓷粉及其復(fù)合材料。
SLS打印內(nèi)部演示
2 SLS優(yōu)勢＆技術(shù)限制，而只能燒結(jié)粉末，所以制造速度很快。
3.材料利用率高。未燒結(jié)的材料可重復(fù)使用，材料的浪費(fèi)少，成本低廉。
4。不需要支持。由于燒結(jié)粉末可以支撐模型的空腔和懸臂部分，因此不必按照FDM和SLA工藝設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)，直接生產(chǎn)出形狀復(fù)雜的原型和構(gòu)件。
五、它具有廣泛的應(yīng)用程序。由于模塑材料的多樣性，可以選擇不同的模塑材料來制造不同用途的燒結(jié)件，可用于制造原型設(shè)計(jì)模型、模具母模、精密鑄造熔煉模具、鑄造殼體和芯體等。
SLS技術(shù)限制：
1。原材料價(jià)格和采購維護(hù)成本較高。
二。SLS成形金屬零件的原理是低熔點(diǎn)粉末與高熔點(diǎn)粉末結(jié)合，導(dǎo)致零件孔隙率高、力學(xué)性能差，特別是伸長性低，難以直接用于金屬功能零件的制造。
三。需要復(fù)雜的輔助工藝。由于SLS使用的材料差異很大，有時(shí)需要復(fù)雜的輔助工藝，如原料的長時(shí)間預(yù)處理(加熱)，完成后需要對成品表面進(jìn)行粉末清洗。
3 SLS的應(yīng)用
金屬粉末的燒結(jié)
SLS燒結(jié)用金屬粉末有三種：單一金屬粉末、混合金屬粉末、金屬粉末和有機(jī)粉末。因此，SLS技術(shù)形成金屬零件的方法主要有三種：
a. 單一金屬粉末的燒結(jié)
例如鐵粉，先將鐵粉預(yù)熱到一定溫度，再用激光束掃描、燒結(jié)。經(jīng)過熱等靜壓處理后，成品的相對密度可達(dá)99.9%。
b. 金屬混合粉末的燒結(jié)
它主要是兩種金屬的混合物，一種熔點(diǎn)較低，另一種熔點(diǎn)較高。例如青銅粉末和鎳粉的混合物。金屬混合粉末預(yù)熱到一定溫度。然后用激光束掃描低熔點(diǎn)金屬粉末(如青銅粉)，將難熔鎳粉粘合在一起。液相燒結(jié)后，成品的相對密度可達(dá)82%。
c. 金屬粉末與有機(jī)黏合劑粉末的混合體
金屬粉和有機(jī)粘結(jié)劑粉按一定比例混合均勻。激光掃描后，有機(jī)粘合劑熔化。熔化的有機(jī)粘合劑將金屬粉末（如銅和有機(jī)玻璃粉末）結(jié)合在一起。在高溫處理燒結(jié)部件后，一方面除去部件中的有機(jī)粘合劑，另一方面提高部件的機(jī)械強(qiáng)度和耐熱性。


金屬粉末和金屬絲激光金屬沉積（LMD）三維打印技術(shù)
工藝概述：
激光金屬沉積(LMD)是一種焊接過程。該材料被引入高功率激光產(chǎn)生的熔池中。LMD屬于定向能量沉積(DED)過程。通常，填充材料是粉末，通過激光束周圍的錐形環(huán)形噴嘴噴射。添加的材料形成一個(gè)焊接，然后涂層金屬下面。該工藝用于部件耐磨性增加的包層應(yīng)用、材料添加到磨損部件的修復(fù)應(yīng)用或復(fù)雜幾何形狀的自由制造（3D打?。Ｅc其他焊接形式相比，LMD在裝配過程中熱影響范圍較小，稀釋度較低，殘余應(yīng)力較低。
沉積線材：
在當(dāng)今的工業(yè)中，粉末LMD比線沉積更為常見，因?yàn)樗菀子脝我坏母吖β始す庠磳?shí)現(xiàn)。然而，粉末的加工存在許多缺點(diǎn)：
粉末比電線貴得多，這是有問題的，因?yàn)長MD通常用于制造使用大量材料的大中型部件。
此外，并非所有通過噴嘴的粉末都被捕獲在浴中。對于自由制造，實(shí)際粉末利用率在20-80%之間，很大程度上取決于部分細(xì)度和工藝參數(shù)。從材料成本的角度來看，這是一個(gè)問題，從工程的角度來看也是一個(gè)問題。將粉末沉積頭重新安裝到任何未專門設(shè)計(jì)的加工上都會導(dǎo)致嚴(yán)重磨損。此外，用戶還需要處理未使用的粉末和粉末材料可能會造成健康風(fēng)險(xiǎn)。相比之下，盤條的利用率為100%，盤條的原材料不會造成任何危險(xiǎn)。

金屬粉末行業(yè)聯(lián)合會發(fā)布增材制造標(biāo)準(zhǔn)
最近，全球金屬粉末工業(yè)聯(lián)合會（MPIF）發(fā)布了《金屬添加制造粉末表征標(biāo)準(zhǔn)綱要》。該文件匯編了九種與金屬粉末原料有關(guān)的現(xiàn)有測試方法，以幫助設(shè)計(jì)者和制造商“澄清技術(shù)，幫助企業(yè)”。
擁有粉末冶金50多年
MPIF成立于1944年，是第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束時(shí)總部設(shè)在新澤西州普林斯頓的一個(gè)非營利組織。目前，協(xié)會由六個(gè)行業(yè)協(xié)會組成，包括金屬成型協(xié)會、耐火金屬協(xié)會和金屬添加劑制造協(xié)會。其成員包括HP、LPW、GE添加劑、Exone和桌面金屬。
總體來說，MPIF是為了滿足這些行業(yè)的利益，通過一系列的資源、活動和培訓(xùn)來幫助員工了解情況。
它的粉末冶金基礎(chǔ)短期課程，包括添加劑制造模塊，被稱為“粉末冶金行業(yè)最長的操作流程”，已經(jīng)活躍了50多年。
金屬合金粉末。
確保粉末與流動一致
MPIF最近出版的系列包含粉末樣品制備、材料純度、流動特性、粒度和粉末包裝的標(biāo)準(zhǔn)。例如，MPIF標(biāo)準(zhǔn)02描述了一種檢測金屬粉末中氧、碳和硫等雜質(zhì)的方法。作為MPIF的詳細(xì)信息，“通常，本試驗(yàn)中獲得的主要信息是粉末中含有的易氧化物的量。如果粉末含有明顯的水分，也可以顯示出來。“測試完成決定了可能影響合金質(zhì)量和總體工藝控制的因素。