科學(xué)家找到了將金屬3D打印對象從基板上去除的方法
日前，密歇根理工大學(xué)開放可持續(xù)技術(shù)（MOST）實驗室的研究人員發(fā)表了一篇論文，名為《氣體金屬弧焊金屬3D打印的基板解除系統(tǒng)的原位生成（In Situ Formation of Substrate Release Mechanisms for Gas Metal Arc Weld Metal 3-D Printing）》，該論文主要討論了在金屬3D打印工藝中基板去除的問題。研究人員指出，制作和采用可重復(fù)使用的基板是非常可行的。
該論文的作者Amberlee S. Haselhuhn、Bas Wijnen、Gerald C. Anzalone、Paul G. Sanders和Joshua M. Pearce專門研究在氣體金屬弧焊金屬3D打印過程中一塊基板的重新使用。通過該項研究制造出來的解除系統(tǒng)非常適合在氣體金屬弧焊（GMAW）技術(shù)中使用。在這里GMAW被認(rèn)為是一種更加經(jīng)濟(jì)實惠的金屬3D打印形式，在該技術(shù)中，由氣體保護(hù)的金屬焊絲“通過一個由電極加熱的可消耗噴嘴給料，而熱量來自于焊絲和基板之間生成的電弧。”
基板與金屬3D打印對象界面的微觀圖像
在本次研究中，研究人員采用了一種專門針對GMAW技術(shù)的開源設(shè)計3D打印機(jī)，在這臺機(jī)器上一個三軸的臺子被用來固定基板，而焊機(jī)則用于熔化鋁或者鋼材進(jìn)行逐層3D打印。顯而易見，由此形成的3D對象最終會牢牢與基板結(jié)合在一起。而研究人員的目的就是創(chuàng)建一個可重復(fù)使用的基板，而不是像目前這樣，只有切開基板才能把3D打印的金屬對象取下來。
“正如你們所知，金屬3D打印總是需要后期處理。因為最起碼，你需要通過切割把打印的金屬部件從金屬基板拿下來。”密歇根理工大學(xué)副教授Joshua M. Pearce博士稱，“目前，我們已經(jīng)解決了鋁和鋼的問題，這里需要使用幾種技術(shù)，其中包括改變覆蓋氣體、表面預(yù)處理和基板的選擇，以引起金屬間化合物——因此，我們只需用一把錘子就能把3D打印對象從基板上敲下來，而這個基板也可以重新使用”。
一開始，研究人員通過分析孔隙率、硬度遍歷，以及彈性和剪切模量，選擇了氧化鋁、氮化硼、氮化鈦三種材料，連同金屬間化合物和氧化物，用于3D打印鋁金屬的基板解除實驗。
通過操縱保護(hù)氣體，研究人員找出了如何減少和修改粘連問題的方法。在研究中，3D打印對象都是由鋁和鋼制成的，同時采用了焊接級氬保護(hù)氣體和RC25（這是一種含有25％二氧化碳的混合氣體，用作3D打印鋼的時候的一種“覆蓋氣體”）。
另外研究人員還準(zhǔn)備了多種基板，每個“處理條件”準(zhǔn)備了5個樣本，在3D打印鋁時使用了一系列的材料，并分別分為涂覆和未涂覆作為對照。而針對鋼的基板所有的都沒有涂覆。在3D打印過程中使用的是標(biāo)準(zhǔn)的鋁和鋼制線材。
交替3D打印路徑以提高質(zhì)量
在金屬3D打印過程中，研究人員會變更3D打印路徑以提高打印質(zhì)量，在打印鋁金屬的時候，每層之間有60秒的停頓；在3D打印鋼的時候與之類似但是方法卻有所變化，即：
- 打印第一層后，暫停十分鐘
- 打印第3和第5層后，暫停60秒
- 每隔一層暫停兩分鐘
“所有使用的基板解除系統(tǒng)都最小化了焊接滲透，并且在與基板銜接的地方形成了一個比較脆的區(qū)域，這樣只需以最小的沖擊就能將樣品從基板上去除。”研究人員在他們的論文中稱。
通過這種技術(shù)，再加上允許層冷卻，然后用水進(jìn)行淬火，研究人員發(fā)現(xiàn)基板更容易被除去。使用數(shù)顯卡尺，研究人員對每組五個樣品的每一個都進(jìn)行了測量。使用擺錘式?jīng)_擊試驗機(jī)，它們能夠從基板上去除3D打印金屬部件而不折斷任何層。打印對象沒有產(chǎn)生翹曲，基板在此過程中相對不受影響，而剩下的材料仍然保持著“清潔和光澤。”經(jīng)過檢查孔隙后，數(shù)據(jù)顯示整體的孔隙率低于百分之五，而鋼基板樣品中的孔隙率稍微少一點。
此外，研究人員可以通過打印設(shè)置，操縱和促進(jìn)氧化物的釋放，以及促進(jìn)鋁-鐵化合物的形成，這樣鋁質(zhì)樣品更容易從鋼質(zhì)基板上去除——而且不用切割工具。人們發(fā)現(xiàn)，氧化鋁、氮化硼和氮化鈦是有效的脫模劑。
總體而言，這些研究結(jié)果對于那些使用金屬進(jìn)行3D打印的各種企業(yè)，無論是小型企業(yè)還是大型工業(yè)實體，都會有所幫助。它不僅會使整個過程更加簡單，而且，可重復(fù)使用的基板也幫助用戶節(jié)約了成本。
鋁質(zhì)（左）和鋼質(zhì)（右）基板
(責(zé)任編輯：admin)
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