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贺利氏与通快合作,拓展非晶态金属3D打印工业级新应用

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贺利氏与通快合作,拓展非晶态金属3D打印工业级新应用

发布日期:2020-04-23 作者: 点击:

非晶态金属(金属玻璃)又称非晶态合金, 它既有金属和玻璃的优点, 又克服了它们各自的弊病,如玻璃易碎, 没有延展性。非晶态金属的强度是钢的两倍,但比钢轻得多,而且弹性更佳。


非晶态金属具有各向同性,这意味着如果采用增材制造技术制造非晶态合金,不管3D打印采用何种构建方向,其材料特性始终相同。3D打印不仅能用于制造极其坚固的部件,还能为工程师提供更大的设计自由度。


非晶态金属的制造是充满挑战的过程,特别是通常需要高于其熔化温度,并迅速冷却,使其避免结晶,从而形成的非晶态金属玻璃。制造过程需要非凡的冷却速度,并限制了它们可以形成的厚度,因为较厚的部分很难被迅速冷却。非晶态金属的3D打印商业化尚处于早期阶段。


贺利氏科技集团旗下的贺利氏非晶态金属与德国通快集团建立了合作,共同开展非晶态金属3D打印研究,以期通过提升工艺和性价比,推动非晶态金属部件3D打印成为车间内的标准生产工艺。未来,非晶态金属3D打印或将令众多领域受益匪浅,例如航空航天和机械工程行业所使用的高应力部件和轻质部件。由于具有生物相容性,此类材料还是医疗设备的理想之选。

3D打印

膨胀套管是能够利用非晶态金属3D打印改进性能的部件之一。由于非晶态金属具有高弹性,采用该材料生产的套管比传统套管更易变形。图片来源:贺利氏非晶态金属


block 3D打印非晶态金属,商业化已在路上


根据德国通快,非晶态金属是液态金属急速冷却而形成的金属材料,3D打印设备可采用该材料制造复杂的大尺寸部件——这是其他生产工艺无法实现的。因此,3D打印技术将为非晶态金属开辟全新的工业应用领域。此外,借助3D打印,非晶态金属还能发挥其在轻量化设计方面的巨大潜力。在满足功能要求的前提下,材料用量和部件重量都被控制在最低限度。非晶态金属本身很轻,因此将3D打印和非晶态金属相结合,能够满足各种应用的轻量化需求。3D打印技术可使非晶态金属部件的生产更加便捷,应用领域更加广泛。借助这项技术,用户可以直接制造完整的部件,而无需先生产一个个零件,再将其装配为成品。

3D打印

TruPrint2000


通快集团TruPrint 2000 3D打印设备。图片来源:通快集团


非晶态金属部件3D打印技术在工业领域的应用还处于起步阶段。这次合作将有助于加快非晶态金属的3D打印流程、提高部件表面质量,最终帮助客户降低成本。贺利氏非晶态金属与通快将提升该技术在更多应用中的适用性,同时开辟一些全新的应用。非晶态金属在许多行业都有应用潜力,例如增材制造技术(即3D打印)最重要的行业之一—医疗器械。通快集团表示,这次合作将是通快工业3D打印解决方案进一步开拓这一关键市场的大好机会。


在这次合作中,贺利氏非晶态金属对其非晶态合金进行了优化,以用于3D打印,并为通快集团的TruPrint设备定制了合适的材料。


通快集团表示,最新发布的TruPrint 2000是打印非晶态金属的理想选择。该设备配置了粉末准备站,可在惰性保护气体中实现拆包打印部件和粉末处理,未使用的粉末将被回收。该设计对于非晶态金属来说至关重要,因为此类材料可与氧气迅速发生反应。同时,TruPrint 2000 配置了2台通快300W光纤激光器,可同时部署在打印机的整个成型仓,这大大减少了单个部件的加工时长。采用仅55微米的光斑直径,用户便可以小批量或大批量生产表面质量极高的非晶态金属部件。熔池监控功能可自动监测并分析加工过程中的熔池质量,从而尽早发现工艺偏差。


由于非晶态金属原子排列长程无序、短程有序的特点,在物理、化学以及力学性能上都呈现出一系列传统晶体合金所不具备的优异特性。然而,处于亚稳态的非晶合金需要在较快的冷却速率下才能获得,而目前通常采用的铜模铸造法只能制备出临界尺寸较小的非晶合金。另外,由于块体非晶合金存在严重的室温脆性问题,其在室温下难以进行机械加工。复杂形状构件的模具无法或很难加工制造,导致难以获得精密复杂的非晶合金构件,这成为制约非晶合金应用的另一个瓶颈。两种金属3D打印技术正在推动着非晶态金属克服传统加工工艺的困难,推动非晶态金属实现全新的设计可能性,拓展其在工业中的应用。


选区激光熔化:更大、更复杂的部件


贺利氏在2019年4月发布了通过选区激光熔化(SLM)3D打印技术制造的非晶态金属齿轮。根据贺利氏,这是迄今为止全球最大的非晶态金属部件,他们正在突破非晶态金属的制造界限,为制造业开辟非晶态金属的全新设计可能性。


一3D打印非晶态金属齿轮采用紧凑型设计,重量为2千克。由于这种材料所需的高冷却速率超过1000开尔文/秒,以前只能由非晶态金属生产小型部件。贺利氏开发的3D打印非晶态金属齿轮采用拓扑优化结构,与传统制造工艺相比,齿轮重量能够减轻50%。贺利氏通过SLM 3D打印技术,在非晶态金属齿轮的尺寸和设计复杂性方面重新定义了传统技术的限制,改变了这类材料的设计可能性。


激光熔覆:高冷却效率、无尺寸限制…


如何突破非晶合金临界的尺寸限制和复杂构件的制备加工是扩展其在相关领域应用的关键。近年来,激光熔覆(DED定向能量沉积)技术为解决这些难点提供了契机。激光熔覆是一种逐点离散熔覆沉积的成型方法,其每点的所受激光加热面积较小,熔池的热量可以迅速向基体扩散,使得激光熔池的冷却速率远大于非晶合金的临界冷却速率,使得熔池在冷凝的过程中可以避免发生晶化,进而获得非晶态,这为无尺寸限制地制备非晶合金提供可能。另外,激光3D打印是以金属粉末为原材料,通过高能激光束对金属粉末逐层熔化堆积,直接由数字模型一步完成全致密、高性能、复杂金属零件的“近终成形”制造,这为制备复杂的非晶合金构提供理想的手段。


大连交通大学为非晶合金作为梯度材料在功能领域的应用提供了可能,扩大了非晶合金的使用范围。研究发现,该非晶合金的梯度结构是由于在同轴送粉激光3D打印过程中不同打印层所经历的不同热历史所引起的不同程度的晶化导致。此项研究成果不仅提供了一种制备大尺寸具有复杂形状的非晶合金的新方法,也促进了高性能非晶合金在工程和功能领域的大规模应用。


与大连交通大学所应用的熔覆沉积方法类似,加州理工大学也采取了类似的技术制造非晶态金属,加州理工大学制造非晶态金属的方法为:将第一层金属合金表面高温熔融;迅速冷却这层熔融金属合金,凝固形成非晶态金属的第一层;然后在此基础上进行下一层的加工。在这个过程中使用的是“喷涂技术”应用至每一层,包括等离子喷涂、电弧喷涂等方法。“喷涂技术”可以使用的原材料包括:金属丝和金属粉末。根据3D科学谷的市场研究,该“喷涂技术”为DED直接能量沉积3D打印技术。


如今,非晶态金属增材制造的商业化已在路上。贺利氏集团旗下的贺利氏非晶态金属,正在致力于非晶态金属的开发与加工,以及近净成形加工解决方案的开发。目前,拥有通快集团3D打印设备的客户如今可以用其3D打印机加工贺利氏非晶态金属提供的锆合金,也可以直接向贺利氏非晶态金属订购3D打印的非晶态金属部件。未来,贺利氏非晶态金属和通快集团还希望将铜合金和钛合金用于3D打印。

本文网址:http://www.aonisi3d.com/news/476.html

关键词:3D打印,3D打印产业,非晶态金属

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