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常见问题

关于金属3D打印 你需要知道这些

  金属3D打印一直处于3D打印构建的智能制造体系的顶端,是3D打印由小范围应用转向大规模工业生产的关键所在。尤其在工业4.0和新一轮工业革命的驱动下,3D打印肩负起振兴制造业的使命,而金属3D打印在其中扮演重要角色。

  由于成型原理不同,金属3D打印成型工艺也大相径庭。目前主流的成型工艺包括选区激光烧结技术(SLS)、直接金属粉末激光烧结技术(DMLS)、选区激光熔化技术(SLM)、电子束选区熔化技术(EBM)、激光熔覆式成型技术(LMD)等。

  选择性激光烧结技术(SLS)最初是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Carl Deckard于1989年在其硕士论文中提出的。选区激光烧结,顾名思义,所采用的冶金机制为液相烧结机制,成型过程中粉体材料发生部分熔化,粉体颗粒保留其固相核心,并通过后续的固相颗粒重排、液相凝固粘接实现粉体致密化。美国DTM公司于1992年推出了该工艺的商业化生产设备SinterSation。德国的EOS公司在这一领域也做了很多研究工作,并开发了相应的系列成型设备。国内有如华中科技大学、南京航空航天大学、西北工业大学、中北大学和北京隆源自动成型有限公司等多家单位进行SLS的相关研究工作,也取得了重大成果。

  DMLS技术作为SLS技术的一个分支,其成型原理基本相同。自从1991年金属粉末直接激光烧结研究在Leuvne的Chatofci大学开展以来,利用SLS工艺直接烧结金属粉末成型三维零部件是快速原型制造的最终目标之一。与间接SLS技术相比,DMLS工艺最主要的优点是取消了昂贵且费时的预处理和后处理工艺步骤。

  SLM的设想最初由德国Fraunhofer研究所于1995年提出,2002年该研究所对SLM 技术的研究取得巨大的成功。世界上第一台SLM设备由英国MCP集团公司下辖的德国 MCP-HEK分公司于2003年底推出。为获取全致密的激光成型件,同时也受益于2000年之后激光快速成型设备的长足进步,粉体完全熔化的冶金机制被用于金属构件的激光快速成型。例如,德国著名的快速成型公司EOS公司,是世界上较早开展金属粉末激光烧结的专业化公司,主要从事SLS金属粉末、工艺及设备研发。而该公司新近研发的EOSINTM270/280型设备,虽继续沿用“烧结”这一表述,但已装配200W光纤激光器,并采用完全熔化的冶金机制成型金属构件,成型性能得以显著提高。目前,作为SLS技术的延伸,SLM术正在德国、英国等欧洲国家蓬勃发展。即便继续沿用“选区激光烧结”(SLS)这一表述,实际所采用的成型机制已转变为粉体完全熔化机制。

  1994年瑞典ARCAM公司申请的一份专利,所开发的技术称为电子束熔化成型技术(Electron Beam Melting),ARCAM公司也是世界上第一家将电子束快速制造商业化的公司,并于2003年推出第一代设备,此后美国麻省理工学院、美国航空航天局、北京航空制造工程研究所和我国清华大学均开发出了各自的基于电子束的快速制造系统。瑞典ARCAM公司与清华大学电子束开发的选区熔化(EBSM)利用电子束熔化铺在工作台面上的金属粉末,与激光选区熔化技术类似,利用电子束实时偏转实现熔化成型,该技术不需要二维运动部件,可以实现金属粉末的快速扫描成型。

  激光熔化沉积(Laser Metal Deposition,LMD)于上世纪90年代由美国Sandia国家实验室首次提出,随后在全世界很多地方相继发展起来,由于许多大学和机构是独立进行研究的,因此这一技术的名称繁多。例如,美国Sandia国家实验室的激光近净成型技术LENS(LaserEngineeredNetShaping),美国Michigan大学的直接金属沉积DMD(DirectMetalDeposition),英国伯明翰大学的直接激光成型DLF(DirectedLaserFabrication),中国西北工业大学的激光快速成型LRF(LaserRapidForming)等。虽然名字不尽相同,但是它们的原理基本相同,成型过程中,通过喷嘴将粉末聚集到工作平面上,同时激光束也聚集到该点,将粉光作用点重合,通过工作台或喷嘴移动,获得堆积的熔覆实体。

  材料被称为3D打印“流动的血液”,应用于金属3D打印的材料主要不锈钢、钛合金、铜基合金等。但由于每种类型材料的属性不同,其具体应用范围也存在差异。

  不锈钢与碳钢不同,目前的铬含量不同,10.5%铬含量最低的钢合金,不锈钢不容易生锈腐蚀。目前,应用于金属3D打印的不锈钢主要有三种:

  奥氏体不锈钢316L、马氏体不锈钢15-5PH、马氏体不锈钢17-4PH。

  奥氏体不锈钢316L,具有高强度和耐腐蚀性,可在很宽的温度范围下降到低温,可应用于航空航天、石化等多种工程应用,也可以用于食品加工和医疗等领域。

  马氏体不锈钢15-5PH,又称马氏体时效(沉淀硬化)不锈钢,具有很高的强度、良好的韧性、耐腐蚀性,而且可以进一步的硬化,是无铁素体。目前,广泛应用于航空航天、石化、化工、食品加工、造纸和金属加工业。马氏体不锈钢17-4PH,在高达315℃下仍具有高强度高韧性,而且耐腐蚀性超强,随着激光加工状态可以带来极佳的延展性。

  钛合金具有耐高温、高耐腐蚀性、高强度、低密度以及生物相容性等优点,在航空航天、化工、核工业、运动器材及医疗器械等领域得到了广泛的应用。

  传统锻造和铸造技术制备的钛合金件已被广泛地应用在高新技术领域,如美国F14、F15、F117、B2和F22军机的用钛比例分别为:24%、27%、25%、26%和42%,一架波音747飞机用钛量达到42.7t。但是传统锻造和铸造方法生产大型钛合金零件,由于产品成本高、工艺复杂、材料利用率低以及后续加工困难等不利因素,阻碍了其更为广泛的应用。而金属3D打印技术可以从根本上解决这些问题,因此该技术近年来成为一种直接制造钛合金零件的新型技术。

  TiAl6V4(TC4)是最早使用于SLM工业生产的一种合金。但是3D打印钛零件由于钛本身的抗塑性剪切变形能力和耐磨性差,限制了其在高温和腐蚀耐磨条件下的使用。因此铼(Re)和镍(Ni)被引入钛合金中,3D打印的Re基复合喷灌已经成功应用于航空发动机燃烧室,工作温度可达2200℃。

  铝合金具有优良的物理、化学和力学性能,在许多领域获得了广泛的应用,但是铝合金自身的特性(如易氧化、高反射性和导热性等)增加了选择性激光熔化制造的难度。

  目前,SLM成型铝合金中存在氧化、残余应力、空隙缺陷及致密度等问题,这些问题主要通过严格的保护气氛,增加激光功率,降低扫面速度等改善。目前,SLM成型铝合金材料主要集中在Al-Si-Mg系合金,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。

  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。

  绝大部分金属3D打印件完成之后,需要对金属件进行热处理,尤其对精细度和内部结构有要求的金属零部件,热处理过程必不可少。热处理就是将固态金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需组织结构的工艺。所以热处理的过程就是按加热→保温→冷却这三阶段进行,这三个阶段可用冷却曲线来表示。不管是哪种热处理,都是分这三个阶段,不同的是加热温度、保温时间和冷却速度不同。

  热处理工艺的特点是不改变金属零件的外形尺寸,只改变材料内部的组织与零件的性能。所以钢的热处理目的是消除材料的组织结构上的某些缺陷,更重要的是改善和提高钢的性能,充分发挥钢的性能潜力,这对提高产品质量和延长使用寿命有重要的意义。常用的热处理有退火,正火、淬火和回火。

  退火就是将金属或合金的工件加热到适当温度(高于或低于临界温度,临界温度即使材料发生组织转变的温度),保持一定的时间,然后缓慢冷却(即随炉冷却或者埋入导热性较差的介质中)的热处理工艺。退火工艺的特点是保温时间长,冷却缓慢,可获得平衡状态的组织。

  钢退火的主要目的是为了细化组织,提高性能,降低硬度,以便于切削加工;消除内应力;提高韧性,稳定尺寸。使钢的组织与成分均匀化;也可为以后的热处理工艺作组织准备,根据退火的目的不同,退火有完全退火、球化退火、消除应力退火等几种。退火常在零件制造过程中对铸件、锻件、焊件接进行,以便于以后的切削加工或为淬火作组织准备。

  将钢件加热到临界温度以上30-50℃,保温适当时间后,在静止的空气中冷却的热处理工艺称为正火。正火的主要目的是细化组织,改善钢的性能,获得接衡状态的组织。

  正火与退火工艺相比,其主要区别是正火的冷却速度稍快,所以正火热处理的生产周期短。故退火与正火同样能达到零件性能要求时,尽可能选用正火。大部分中、低碳钢的坯料一般都采用正火热处理。一般合金钢坯料常采用退火,若用正火,由于冷却速度较快,使其正火后硬度较高,不利于切削加工。

  将钢件加热到临界点以上某一温度(45号钢淬火温度为840-860℃,碳素工具钢的淬火温度为760~780℃),保持一定的时间,然后以适当速度冷却以获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。

  淬火与退火、正火处理在工艺上的主要区别是冷却速度快,目的是为了获得马氏体组织。也就是说要获得马氏体组织,钢的冷却速度必须大于钢的临界速度。所谓临界速度就是获得马氏体组织的最小冷却速度。钢的种类不同,临界冷却速度不同,一般碳钢的临界冷却速度要比合金钢大。所以碳钢加热后要在水中冷却,而合金钢在油中冷却。冷却速度小于临界冷却速度得不到马氏体组织,但冷却速度过快,会使钢中内应力增大,引起钢件的变形,甚至开裂。

  钢件淬硬后,再加热到临界温度以下的某一温度,保温一定时间,然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。

  淬火后的钢件一般不能直接使用,必须进行回火后才能使用。因为淬火钢的硬度高、脆性大,直接使用常发生脆断。通过回火可以消除或减少内应力、降低脆性,提高韧性;另一方面可以调整淬火钢的力学性能,达到钢的使用性能。

  家具公司Steelcase最近获得了3D打印公司Fast Radius和Carbon的帮助,以使用增材制造重新设计和升级其屡获殊荣的SILQ办公椅。其合作共同设计并3D打印了一个办公椅子的扶手,可以根据用户的身体进行定制。Steelcase是一 ....[详情]

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  周二夜盘,铁矿1901合约震荡下挫,报508.0元/吨,跌6.0,跌幅1.17%。昨日全国主要港口铁矿石成交量119万吨,上周平均日成交90.56万吨。矿价跟随钢价波动,陷入弱势震荡区间。技术面上,期矿在500的支撑较强,上方520是短期阻力,操作上建议多单谨慎持有。

  应该说,迄今为止,中国钢材市场基本较为健康。主要体现为决策部门以扩大内需,特别是稳定基建投资方式,应对外部环境严峻,化解经济下行压力。比如货币政策趋向宽松、财政政策更为积极、减税降负、支持民营企业和小微企业等。随着上述政策效应的逐步显现,今年4季度中国钢材的国内需求继续旺盛,由此消化了不断创下新高的钢铁增量,全国钢材社会库存持续低位。2018年11月初(11月2日),全国钢材综合库存指数为87.6,比今年1季度高点(3月9日)下降53%,比去年同期下降1.7%。其中长材库存指数为95.6,比今年1季度高点(3月9日)下降近7成,比去年同期下降14%。正是这种健康的基本面,提振了市场信心,短时期内不具备价格大幅跌落基础。

  其中炼丹家依据观察实验而得出的某些化学变化的总论,可用现代化学方程式加以表述,如《抱朴子.金丹》中指出:「丹砂烧之成水银,积变又成丹砂」两句中:

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