Der Durchbruch des Metall-3D-Druckmaterials ist die Grundlage für die Entwicklung
Metallische 3D-Druckmaterialien sind eine wichtige Materialgrundlage für die Entwicklung der Metall-3D-Drucktechnologie. Ob der 3D-Druck breiter eingesetzt werden kann, hängt ein Stück weit von der Materialentwicklung ab. Derzeit umfassen 3D-Druckmaterialien aus Metall hauptsächlich technische Kunststoffe, lichtempfindliche Harze, Gummimaterialien, Metallmaterialien und Keramikmaterialien. Feld angewendet wurde. Diese beim Metall-3D-Druck verwendeten Rohstoffe wurden speziell für Metall-3D-Druckgeräte und -prozesse entwickelt, die sich von gewöhnlichen Kunststoffen, Gips, Harzen usw. unterscheiden, und ihre Formen sind im Allgemeinen pulverförmig, fadenförmig, lamellar und flüssig. Warten. Abhängig von der Art der Druckausrüstung und den Betriebsbedingungen liegt die Partikelgröße der verwendeten pulverförmigen Metall-3D-Druckmaterialien normalerweise im Bereich von 1 bis 100 μm, und um eine gute Fließfähigkeit des Pulvers aufrechtzuerhalten, muss das Pulver im Allgemeinen a aufweisen hohe Sphärizität. .
Die Forschung und Entwicklung sowie der Durchbruch von Metall-3D-Druckmaterialien sind die Grundlage für die Förderung und Anwendung der Metall-3D-Drucktechnologie und auch die grundlegende Garantie für einen zufriedenstellenden Druck. Einer besteht darin, die Forschung und Entwicklung von Materialien zu stärken und ein vollständiges Druckmaterialsystem zu bilden. In den letzten Jahren haben sich 3D-Druckmaterialien aus Metall rasant entwickelt. Im Jahr 2013 stieg der Druck von Metallmaterialien um 28 Prozent und erreichte 2014 mehr als 30 Prozent, was etwa 12 Prozent der 3D-Druckmaterialien aus Metall ausmacht. Metallische Materialien sind hauptsächlich Titan, Aluminium, Stahl und Nickel. Titanlegierungen, Hochtemperaturlegierungen, rostfreier Stahl, Gesenkstahl, hochfester Stahl, legierter Stahl und Aluminiumlegierungen können als Druckmaterialien verwendet werden und werden häufig bei der Herstellung und Reparatur und Wiederaufarbeitung von Geräten verwendet. Derzeit gibt es jedoch kein Metall-3D-Druckmaterialsystem, und die vorhandenen Materialien sind weit davon entfernt, die Anforderungen des Metall-3D-Drucks zu erfüllen.
Die für die Laser-Stereoformung verwendeten Materialien sind hauptsächlich metallinerte Materialien, und der nächste Schritt besteht darin, andere aktive Metalldruckmaterialien auszuprobieren. Metallpulver, die traditionell in der Pulvermetallurgie verwendet werden, können die Anforderungen des 3D-Drucks nicht vollständig erfüllen, und derzeit gibt es nur wenige Arten von Metallmaterialien, die zum Drucken verwendet werden können, und der Preis ist relativ hoch. Es gibt einige ausländische Unternehmen, die sich auf Metallpulver für den 3D-Druck spezialisiert haben, wie Sulzer Metco in den Vereinigten Staaten und Sandvik in Schweden, aber sie können nur wenige konventionelle Metallpulver anbieten. Die heimische Materialforschung und -entwicklung hinkt relativ hinterher, und Druckpulver ist zu teuer. Da der Materialforschungs- und -entwicklungszyklus lang ist und die Forschung und Entwicklung schwieriger ist als die von Ausrüstung, zögern Unternehmen, Materialforschung und -entwicklung aus Interessenmaximierung heraus durchzuführen. Huanghe Cyclone Co., Ltd. ist eines der wenigen inländischen Unternehmen, das Diamantmikropulver und CBN-Mikropulver herstellt. Die universitäre Forschung ist auch stark an 3D-Druckgeräten und -Software interessiert, sodass Druckmaterialien die Entwicklung und Anwendung der Metall-3D-Drucktechnologie weitgehend einschränken.
Metallpulver
Metallpulver, die im 3D-Druck verwendet werden, erfordern im Allgemeinen eine hohe Reinheit, eine gute Rundheit, eine enge Partikelgrößenverteilung und einen niedrigen Sauerstoffgehalt. Derzeit umfassen die im 3D-Druck verwendeten Metallpulvermaterialien hauptsächlich Titanlegierungen, Kobalt-Chrom-Legierungen, Edelstahl- und Aluminiumlegierungsmaterialien sowie Gold-, Silber- und andere Edelmetallpulvermaterialien, die zum Drucken von Schmuck verwendet werden. Der 3D-Druck von Metallpulver als wichtigstes Glied in der Kette der Metallteile der 3D-Druckindustrie bietet auch den größten Wert.
Auf der „2013 World 3D Printing Technology Industry Conference“ gaben maßgebliche Experten der weltweiten 3D-Druckindustrie eine klare Definition des 3D-Druck-Metallpulvers, das sich auf die Gruppe von Metallpartikeln bezieht, deren Größe weniger als 1 mm beträgt. Einschließlich Einzelmetallpulver, Legierungspulver und einige Pulver aus feuerfesten Verbindungen mit metallischen Eigenschaften. Derzeit umfassen 3D-Druck-Metallpulvermaterialien Kobalt-Chrom-Legierung, Edelstahl, Industriestahl, Bronzelegierung, Titanlegierung und Nickel-Aluminium-Legierung usw. Neben einer guten Plastizität muss das 3D-Druck-Metallpulver jedoch auch die Anforderungen erfüllen fein Pulverpartikelgröße, enge Partikelgrößenverteilung, hohe Sphärizität, gute Fließfähigkeit und hohe Schüttdichte.
3D-Druck mit Titanlegierung
Titanlegierungen haben die Vorteile hoher Temperaturbeständigkeit, hoher Korrosionsbeständigkeit, hoher Festigkeit, geringer Dichte und Biokompatibilität und werden in großem Umfang in der Luft- und Raumfahrt, der chemischen Industrie, der Nuklearindustrie, bei Sportgeräten und medizinischen Geräten sowie in anderen Bereichen eingesetzt. Titanlegierungsteile, die durch traditionelle Schmiede- und Gießtechniken hergestellt wurden, wurden in High-Tech-Bereichen weit verbreitet verwendet. Die Menge an Titan, die in einem Boeing 747-Flugzeug verwendet wird, erreicht 42,7 Tonnen. Die Herstellung großer Titanlegierungsteile durch herkömmliche Schmiede- und Gießverfahren hat jedoch ihre breitere Anwendung aufgrund ungünstiger Faktoren wie hoher Produktkosten, komplizierter Verfahren, geringer Materialausnutzungsrate und schwieriger anschließender Verarbeitung behindert. Die Metall-3D-Drucktechnologie kann diese Probleme grundlegend lösen, sodass sich diese Technologie in den letzten Jahren zu einer neuen Technologie für die direkte Herstellung von Teilen aus Titanlegierung entwickelt hat. Die Entwicklung neuer Legierungen auf Titanbasis ist die Hauptrichtung der Anwendungsforschung von Titanlegierungen SLM. Aufgrund des niedrigen Kaltverfestigungsindex von Titan und Titanlegierungen (ungefähr 0,15) sind die Beständigkeit gegen plastische Scherverformung und die Verschleißfestigkeit schlecht, was die Verwendung seiner Teile unter Hochtemperatur- und korrosiven Verschleißbedingungen einschränkt.
3D-Druck aus Edelstahl
Edelstahl hat die Eigenschaften chemische Korrosionsbeständigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit und gute mechanische Eigenschaften. Aufgrund seiner guten Pulverformbarkeit, seines einfachen Herstellungsprozesses und seiner geringen Kosten ist es das früheste Material, das im 3D-Metalldruck verwendet wird. Beispielsweise haben die Huazhong University of Science and Technology, die Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, die Northeastern University und andere Institutionen eingehende Forschungen zum Metall-3D-Druck durchgeführt. Die aktuelle Forschung konzentriert sich hauptsächlich auf die Verringerung der Porosität, die Erhöhung der Festigkeit und den Sphäroidisierungsmechanismus von Metallpulver im Schmelzprozess. Li Ruidiet al. verwendeten verschiedene Prozessparameter, um SLM-Formtests an 304L-Edelstahlpulver durchzuführen, erhielten eine empirische Formel für die Dichte von 304L-Edelstahl und fassten den Kornwachstumsmechanismus zusammen.
3D-Druck von Superlegierungen
Superlegierungen beziehen sich auf eine Klasse von Metallmaterialien auf der Basis von Eisen, Nickel und Kobalt, die lange Zeit bei hohen Temperaturen über 600 Grad und unter bestimmten Belastungsumgebungen arbeiten können. Es hat eine hohe Hochtemperaturfestigkeit, eine gute thermische Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit sowie eine gute Plastizität und Zähigkeit. Gegenwärtig kann sie je nach Art der Legierungsmatrix grob in drei Typen unterteilt werden: Legierungen auf Eisenbasis, Nickelbasis und Kobaltbasis. Hochtemperaturlegierungen werden hauptsächlich in Hochleistungsmotoren eingesetzt. In modernen fortschrittlichen Flugzeugtriebwerken macht die Menge an Hochtemperatur-Legierungsmaterialien 40 bis 60 Prozent der Gesamtmasse des Triebwerks aus. Die Entwicklung moderner Hochleistungsflugtriebwerke stellt immer höhere Anforderungen an die Betriebstemperatur und Leistungsfähigkeit von Superlegierungen. Das traditionelle metallurgische Verfahren für Barren hat eine langsame Abkühlungsgeschwindigkeit, eine starke Segregation bestimmter Elemente und zweite Phasen im Barren, eine schlechte Heißbearbeitbarkeit, eine ungleichmäßige Struktur und eine instabile Leistung. Die Metall-3D-Drucktechnologie ist zu einer neuen Methode geworden, um den technischen Engpass bei der Umformung von Superlegierungen zu lösen. Die NASA behauptete, dass bei dem am 22. August 2014 durchgeführten Hochtemperatur-Zündungstest die durch Metall-3D-Drucktechnologie hergestellte Raketentriebwerksdüse einen Rekordschub von 9 t erzeugte.
3D-Druck von Aluminiumlegierungen
Als leichteste Strukturlegierung hat die Aluminiumlegierung aufgrund ihrer besonderen hohen Festigkeits- und Dämpfungseigenschaften die Möglichkeit, Stahl und Aluminiumlegierungen in vielen Anwendungsbereichen zu ersetzen. Beispielsweise kann die Leichtbauanwendung von Aluminiumlegierungen in Automobil- und Flugzeugkomponenten den Kraftstoffverbrauch und die Abgasemissionen reduzieren. Aluminiumlegierungen weisen eine In-situ-Abbaubarkeit, einen niedrigen Elastizitätsmodul, eine dem menschlichen Knochen ähnliche Festigkeit, eine ausgezeichnete Biokompatibilität auf und haben mehr Anwendungsaussichten als herkömmliche Legierungen bei der chirurgischen Implantation.
Seit dem Aufkommen der Metall-3D-Drucktechnologie in den 199er Jahren hat sich das Drucken von Polymermaterialien allmählich auf das Drucken von Metallpulvern konzentriert, und es wurden eine Vielzahl neuer Technologien, neuer Geräte und neuer Materialien entwickelt und angewandt. Derzeit schreitet das Innovationstempo der Informationstechnologie weiter voran, und die industrielle Produktion tritt in eine neue Stufe der Intelligenz und Digitalisierung ein. Deutschland hat 2014 den Entwicklungsplan „Industrie 4.0“ vorgeschlagen, der zwangsläufig zu disruptiven Veränderungen und Innovationen im industriellen Bereich führen wird, und die 3D-Drucktechnologie wird ein starker Schub für die Entwicklung der industriellen Intelligenz sein. Die Metallpulver-3D-Drucktechnologie hat bestimmte Ergebnisse erzielt, aber der Materialengpass wird sich unweigerlich auf die Förderung der 3D-Drucktechnologie auswirken, und die 3D-Drucktechnologie stellt höhere Anforderungen an Materialien. Es gibt viele Arten von Metallmaterialien, die für den industriellen 3D-Druck geeignet sind, aber nur spezielle Pulvermaterialien können die Anforderungen der industriellen Produktion erfüllen.
Die zukünftige Entwicklungsrichtung des 3D-Drucks von Metallmaterialien hat hauptsächlich drei Aspekte:
Einer davon ist, die Forschung zum Zusammenhang zwischen Materialstruktur und -eigenschaften auf der Grundlage bestehender Materialien zu stärken, Prozessparameter entsprechend den Materialeigenschaften weiter zu optimieren, die Druckgeschwindigkeit zu erhöhen, die Porosität und den Sauerstoffgehalt zu verringern und die Oberflächenqualität zu verbessern;
Die zweite besteht darin, neue Materialien zu entwickeln, um sie für den Metall-3D-Druck geeignet zu machen, wie z. B. die Entwicklung neuer Materialien mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit und umfassenden mechanischen Eigenschaften;
Die dritte besteht darin, das technische Standardsystem für den 3D-Druck von Metallpulvermaterialien zu überarbeiten und zu verbessern, um die Institutionalisierung und Normalisierung der technischen Standards für den Druck von Metallmaterialien zu realisieren.