“在未來(lái)（或是在星際紀(jì)年的未來(lái)），機(jī)器可以制造機(jī)器。打印機(jī)就是*波新一代的智能機(jī)器，它們能設(shè)計(jì)、制造、修理、回收其他機(jī)器，甚至能夠調(diào)整和改進(jìn)其他機(jī)器，包括它們自己。”
───科利·多克托羅（科幻小說(shuō)作家）
我們都可以感受得到，3D打印正在打破傳統(tǒng)的制造工藝局限。小編可以大膽地預(yù)測(cè)，未來(lái)3D打印將會(huì)顛覆整個(gè)世界。甚至出現(xiàn)了這樣的說(shuō)法“3D（打印）一出，誰(shuí)與爭(zhēng)鋒；3D（打印）在手，天下我有”，這個(gè)說(shuō)法有點(diǎn)夸張，但是小編表示贊同，別問(wèn)為什么，就是這么任性。不過(guò)話說(shuō)回來(lái)，你們知道什么是3D打印嗎？目前的3D打印技術(shù)到底發(fā)展到了何種程度，到底能打印出來(lái)什么東西？別想太久，別老是想一些太俗的東西，相信你們也想不出幾種。小編隨便上網(wǎng)翻閱了一下，當(dāng)時(shí)就震驚了，下面小編隨便介紹一種。
下面是維也納工業(yè)大學(xué)展示的利用一種經(jīng)過(guò)改良的3D打印技術(shù)所打印出來(lái)的F1賽車(chē)模型，這個(gè)賽車(chē)模型尺寸為330*130*100 µm，大小只有沙粒那么大，可謂“一沙一賽車(chē)”。有沒(méi)有被震驚到？接下來(lái)小編要裝成3D打印技術(shù)大牛，給大家普及一下關(guān)于3D打印的一些基礎(chǔ)知識(shí)，有點(diǎn)枯燥，但是耐心看完肯定有收獲。
圖 1 3D打印F1賽車(chē)模型
何為3D打印？
3D打印（3 Dimensional Printing）又名增材制造（material additive manufacturing），是一種使任何形狀的三維固體物品通過(guò)數(shù)字模型得以快速實(shí)現(xiàn)的過(guò)程。3D打印的實(shí)質(zhì)是通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，將某種特定的加工樣式進(jìn)行一系列的數(shù)字切片編輯，從而生成一個(gè)數(shù)字化的模型文件，然后按照模型圖的尺寸以某些特定的添加劑作為粘合材料，運(yùn)用特定的成型設(shè)備即3D打印機(jī)，用粉末態(tài)、液態(tài)、絲狀等的固體金屬粉或可塑性高的物質(zhì)進(jìn)行分層加工、疊加成型使原料將這些薄型層面逐層熔融增加，從而zui終“打印”出真實(shí)而立體的固態(tài)物體。通俗一點(diǎn)就是類(lèi)似于擠牙膏，只不過(guò)擠出來(lái)的牙膏是按照一定程序規(guī)則堆疊成一個(gè)特定的形狀結(jié)構(gòu)。3D 打印技術(shù)被稱(chēng)為“具有工業(yè)革命意義的制造技術(shù)”，是制造業(yè)領(lǐng)域正在迅速發(fā)展的一項(xiàng)新興技術(shù)，已成為現(xiàn)代模型、模具和零部件制造的有效手段，在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域得到了一定應(yīng)用。
3D打印用金屬粉末
金屬零件 3D 打印技術(shù)作為整個(gè) 3D 打印體系中zui為前沿和zui有潛力的技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。3D 打印用金屬粉末作為金屬零件 3D 打印產(chǎn)業(yè)鏈zui重要的一環(huán)，也是zui大的價(jià)值所在。 下面就3D打印用金屬粉末進(jìn)行詳細(xì)介紹。
在“2013 年世界 3D 打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會(huì)”上，世界 3D 打印行業(yè)的專(zhuān)家對(duì) 3D 打印用金屬粉末給予明確定義，即指尺寸小于 1mm 的金屬顆粒群。 包括單一金屬粉末、合金粉末以及具有金屬性質(zhì)的某些難熔化合物粉末。目前，3D 打印用金屬粉末材料包括鈷鉻合金、青銅合金、工業(yè)鋼、不銹鋼、鈦合金和鎳鋁合金等。但是 3D 打印用金屬粉末除需具備良好的可塑性外，還必須滿足粉末粒徑細(xì)小、粒度分布較窄、球形度高、流動(dòng)性好和松裝密度高等要求。下面對(duì)金屬粉末顆粒形狀、粒度及其分布對(duì)于3D打印產(chǎn)品質(zhì)量的影響作詳細(xì)介紹。
金屬粉末顆粒形狀、粒度及其分布對(duì)3D打印成品的影響
顆粒形狀：
在金屬粉末制備過(guò)程中，粉末顆粒會(huì)隨著制備方法的不同而呈現(xiàn)不同形狀，如球形、近球形、多角形、多孔海綿狀、樹(shù)枝狀等。粉末的顆粒形狀直接影響到粉末的流動(dòng)性、松裝密度，進(jìn)而對(duì)所制備金屬零件的性能產(chǎn)生影響。
一般來(lái)說(shuō)，球形或者近球形粉末具有良好的流動(dòng)性，在打印過(guò)程中不易堵塞供粉系統(tǒng)，能鋪成薄層，進(jìn)而提高3D打印零件的尺寸精度、表面質(zhì)量，以及零件的密度和組織均勻性，是作為3D打印的原料形狀類(lèi)型。但是要注意，球形粉末的顆粒堆積密度小，空隙大，使得零件的致密度小，也會(huì)影響成形質(zhì)量。
3D打印用金屬粉末的制備技術(shù)的發(fā)展制約著3D打印金屬零件行業(yè)的發(fā)展。3D 打印用金屬粉末低成本制備技術(shù)的突破成為國(guó)內(nèi)外研究人員亟需攻克的難題。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外企業(yè)在 3D 打印金屬粉末制備領(lǐng)域投入了大量的資金和技術(shù)力量，都取得了一定的進(jìn)展。下面為兩種金屬粉末，用飛納臺(tái)式掃描電鏡對(duì)比兩種粉末的微觀形貌，可知金屬粉末A要優(yōu)于金屬粉末B。金屬粉末A基本上為飽滿的球狀顆粒，幾乎沒(méi)有粘接在一塊的。而金屬粉末B各種形狀都有，球狀、桿狀以及不規(guī)則的形狀等，有些粉末顆粒粘在一起，形成所謂的“衛(wèi)星粉”。
金屬粉末A
金屬粉末B
粉末粒度及其分布：
一般來(lái)說(shuō)，金屬粉末的粒度越小，越有利于燒結(jié)的順利進(jìn)行，因?yàn)榱６仍叫。缺砻娣e越大，燒結(jié)的驅(qū)動(dòng)力也就越大。此外，細(xì)小的粉末顆粒之間的空隙小，相鄰鋪粉層之間連接緊密，有利于提高燒結(jié)致密化和燒結(jié)強(qiáng)度。小顆粒的金屬粉末還可以填充到大顆粒的空隙中，能夠提高粉末的堆積密度，從而有利于提高打印的金屬零件的表面質(zhì)量和強(qiáng)度。但是，并不是顆粒越細(xì)越好，如果細(xì)顆粒過(guò)多,在燒結(jié)過(guò)程中容易出現(xiàn)“球化”現(xiàn)象，易造成鋪粉厚度不均勻。所謂的“球化”現(xiàn)象，就是為使熔化的金屬液表面與周?chē)橘|(zhì)表面構(gòu)成的體系具有zui小的自由能，在表面張力的作用下，金屬液表面形狀向球形表面轉(zhuǎn)變的一種現(xiàn)象。“球化”通常會(huì)使金屬粉末熔化后無(wú)法凝固形成連續(xù)平滑的溶池，因而形成的零件疏松多孔，致使成型失敗。
3D 打印用金屬粉末粒度的選取根據(jù)熱源的不同也有所不同，一般來(lái)說(shuō)，激光成形的粉末粒度在 30～50 μm，而電子束成形的粉末粒度在 50～90 μm。當(dāng)金屬粉末的大顆粒和小顆粒以恰當(dāng)?shù)谋壤旌希拍艿玫礁哔|(zhì)量的3D打印金屬產(chǎn)品。
依據(jù)上面的介紹，我們可以知道對(duì)于金屬粉末的粒度及其分布的檢測(cè)相當(dāng)重要。目前對(duì)于這類(lèi)金屬粉末的粒度及其分布的檢測(cè)的手段一般采用激光粒度儀。小編給大家介紹一種新的方法，利用掃描電鏡（SEM）的一些拓展軟件，也可以地進(jìn)行檢測(cè)。而且，小編覺(jué)得，SEM的這種手段測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。下面是利用飛納臺(tái)式掃描電鏡顆粒統(tǒng)計(jì)分析測(cè)量系統(tǒng)對(duì)國(guó)內(nèi)某個(gè)廠家的金屬粉末進(jìn)行檢測(cè)，羅列了其中幾個(gè)圖。SEM的顆粒統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)，不僅可以得到粉末的圓度、長(zhǎng)直比、顆粒尺寸及分布等結(jié)果，還可以實(shí)時(shí)得到所檢測(cè)區(qū)域的形貌圖和對(duì)應(yīng)顆粒的識(shí)別情況，并對(duì)顆粒識(shí)別不對(duì)的地方進(jìn)行手動(dòng)剔除。從下面的顆粒識(shí)別圖片可以看出，顆粒統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)對(duì)于顆粒的識(shí)別是相當(dāng)準(zhǔn)確的。有趣的是，我們可以從圓度-長(zhǎng)徑比散點(diǎn)圖中，非常直觀地看到這批粉末到底圓不圓，其中每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)顆粒，圓度的值越接近于1越圓。
BSE圖片
顆粒識(shí)別圖片
顆粒直徑分布圖
顆粒圓度-長(zhǎng)徑比散點(diǎn)圖
介紹了這么多，大家學(xué)到了嗎？這篇文章部分內(nèi)容參考了華南理工大學(xué)高超峰博士在粉末冶金期刊發(fā)表的《3D打印用金屬粉末的性能特征及研究進(jìn)展》。
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