揭開金屬增材制造技術(shù)的面紗(3)
鋁合金
熔點較低,快速熔凝過程中溫度梯度相對較小,容易加工成型且成形件不易變形開裂,但是易氧化、具有高反射性和導熱性等特性。目前對于鋁合金更多的是基于SLM的研究與應(yīng)用。
鎂合金
最輕的結(jié)構(gòu)合金,由于其特殊的高強度和阻尼性能,在諸多應(yīng)用領(lǐng)域具有替代鋼和鋁合金的可能。另外具有原位降解性、優(yōu)異的生物相容性等特點,在生物醫(yī)療行業(yè)比傳統(tǒng)合金更有應(yīng)用前景。
其它合金
還包括硬質(zhì)合金、鈷鉻合金、以及Cu-Su、WNi、Ni-Al和Nb-Ti-Si等金屬間化合物材料和一些梯度材料。
金屬增材制造技術(shù)的應(yīng)用
成形傳統(tǒng)制造難度大的零件
在制造領(lǐng)域,有些零部件形狀復雜、制備周期長,應(yīng)用傳統(tǒng)鑄造鍛造工藝生產(chǎn)不出來或損耗較大。而金屬增材制造技術(shù)則可以快速制造出滿足要求的零部件,并具有加工周期短、制造成本低、無需工裝和模具等優(yōu)勢。
通過金屬3D打印的異型水路模具設(shè)計時間減少了75%、制造端人力節(jié)省了50%、射出模具生產(chǎn)周期縮短了14%、制造費用降低了16%等。
制備高成本材料零件
金屬材料是制造領(lǐng)域必不可少的重要材料,但是在實際的加工過程中,卻存在著不少問題,例如鈦合金、高溫合金、超高強度鋼等材料難加工、加工成本高、材料利用率低,加工周期長等。
美國最大的航空發(fā)動機制造公司之一普惠公司應(yīng)用增材制造技術(shù)用于發(fā)動機的鎳基合金和鈦合金部件的研制,結(jié)果顯示:不但獲得了與當前材料一致的性能,大大縮短了制造周期,提升了復雜幾何結(jié)構(gòu)的制造精度;而且原材料消耗降低了50%,并將發(fā)動機的BTF比(原材料質(zhì)量與部件最終質(zhì)量之比)從傳統(tǒng)工藝的20:1降低到2:1以下,有效的提高了部件的質(zhì)量和降低了制造成本。
快速成形小批量非標件
3D打印非常適合個性化定制生產(chǎn)、小批量生產(chǎn)。當前,金屬增材制造的個性化制造在醫(yī)療器械的應(yīng)用極為突出,一方面用于打印具有個性化需求的植入物/假體或模仿仿生原理的復雜結(jié)構(gòu)。
這些植入物通過3D打印技術(shù)的精確控制,有效實現(xiàn)外在輪廓及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的同步重建,以滿足其與患者局部解剖結(jié)構(gòu)的高度匹配,其中具有生物相容性的鈦合金材料是重要的加工材料,打印出來的多孔結(jié)構(gòu)植入物,可以更好的與人體組織結(jié)合。另一方面,金屬增材制造技術(shù)還可用于為病人量身定做植入手術(shù)所需的精密部件,例如華南理工大學利用激光選區(qū)熔化技術(shù)(SLM)已成功研制了外科手術(shù)所需的個性化輔助導板。
高性能成形修復受損零件
高成本零件的成形修復也是金屬增材制造技術(shù)的突出優(yōu)勢。過去,對于受損零部件只能做表面的涂層修復,并且維修工序步驟繁多,還涉及到一些額外的步驟如加工、拋光、測試等,同時還受維修時限條件的制約,耗時較長;而對于損傷稍嚴重的零部件也只能作更換處理。金屬增材制造技術(shù)則可以對任意缺失或損環(huán)的部分進行快速成形和修復。
例如航空航天零件結(jié)構(gòu)復雜、成本高昂,一旦出現(xiàn)瑕疵或缺損,只能整體換掉,可能造成數(shù)十萬、上百萬元損失。而通過金屬3D打印技術(shù),可以用同一材料將缺損部位修補成完整形狀,修復后的性能不受影響,大大延長了使用壽命,降低了成本,減少了停機時間。
異質(zhì)材料的組合制造
對于傳統(tǒng)制造方式(鑄造、鍛造等)來講,將不同材料組合成單一產(chǎn)品非常困難,但是增材制造技術(shù)有能力使不同原材料進行組合制造。
針對部分工業(yè)零件適當利用增材制造技術(shù)進行組合制造,不同的結(jié)構(gòu)部位采用不同類別的金屬材料,不僅大大提高結(jié)構(gòu)件的性能,而且降低了成本,特別是昂貴材料的成本。同時,也把增材制造技術(shù)成型復雜精細結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢與傳統(tǒng)制造技術(shù)高精度本的優(yōu)勢結(jié)合起來,形成了最佳的制造策略。
輕量化制造
增材制造技術(shù)快速自由成型的特點,給產(chǎn)品的設(shè)計帶來了無限的創(chuàng)新空間,為實現(xiàn)最優(yōu)化的設(shè)計提供了有效的制造途徑。金屬增材制造技術(shù)則可以使這些經(jīng)拓撲優(yōu)化后的創(chuàng)新模型,不用考慮制造約束并快速實現(xiàn)制造。
例如空客A320飛機的大尺寸“仿生”機艙隔離結(jié)構(gòu),這一結(jié)構(gòu)是通過拓撲優(yōu)化設(shè)計,金屬3D打印制造而成,材料是采用的超強且輕質(zhì)合金材料Scalmalloy。A320全新的機艙設(shè)計與原有的隔離結(jié)構(gòu)相比,新型的仿生隔離結(jié)構(gòu)由幾個不同的部件組成,不僅強度更高,而且將其總量減輕了45%。
金屬增材制造廠商巡禮
3D模型設(shè)計軟件商
金屬3D打印設(shè)備商
金屬3D打印材料商
金屬增材制造技術(shù)趨勢分析
1.提升工藝水平,加強工藝技術(shù)瓶頸的突破
2.加強對新材料的研發(fā)與現(xiàn)有材料的改進
3.金屬材料特性及成形工藝標準體系的建立
4.與傳統(tǒng)制造技術(shù)融合,實現(xiàn)混合加工
5.與拓撲優(yōu)化等創(chuàng)新技術(shù)融合,形成從設(shè)計到制造的閉環(huán)
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