金属3D打印是一种使用金属粉末直接打印金属零件的3D打印技术,又称为金属粉末烧结(SLM).3D打印金属粉末需具备良好的可塑性外,还必须满足粉末粒径细小、粒度分布较窄、球形度高、流动性好和松装密度高等要求.目前大多数3D打印机使用的金属粉末包括不锈钢、铝合金、钴铬合金、铜合金、钛合金和镍合金等.铁基合金是工程技术中最重要、用量最大的金属材料,多用于复杂结构的成型,在航空航天、汽车、船舶、机械制造等行业得到广泛的应用.

金属粉末种类和所采用3D打印的工艺决定了最终产品的性能

不锈钢粉末

相对廉价的金属打印材料,性价比高,耐腐蚀性能好,强度高,可快速高效地进行小批量复杂工业零部件的生产制造.

铝合金粉末

目前,应用于金属3D打印的铝合金主要包括铝硅AlSi12和AlSi10Mg.铝硅12是一种轻质添加剂,用于生产具有良好热性能的金属粉末.硅镁组合使铝合金具有更高的强度和刚度,使其适用于薄壁和复杂的几何形状,特别是在具有良好热性能和低重量的应用中.铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料,其密度低,比强度较高,接近或超过优质钢,塑性好.研究表明,3D打印用铝合金可以做到零件致密、组织细小,力学性能则堪比铸件甚至优于铸造成型零件,且相较于传统工艺零部件其质量可减少22%,成本却可减少30%。

钴铬合金粉末

金属3D打印的钴铬合金粉末由于其具备优良的耐磨耗及耐腐蚀性能,常用用于打印各类人工关节及整形外科植入器械,此外于齿科领域也均有用到.

铜合金粉末

具有优异的导热性和导电性,热管理应用中的具优良热传导率的铜,可以结合设计自由度,产生复杂的内部结构和随形冷却通道.

钛合金粉末

在航空航天领域应用比较广泛,利用3D打印的优势帮助优化产品设计,例如用复杂且合理的结构代替原先的实心体,使成品重量更低,力学性能却更好.这样不仅能降低成本,而且能实现各个部件的轻量化生产.

镍合金粉末

镍合金耐氧化、耐腐蚀的特性使其适用于高温高压的严苛环境镍合金受热时,合金表面会钝化出一层又厚又稳定的氧化层,保护合金内部不受腐蚀.镍合金在很广的温度范围内能维持良好的机械性质.

粉末材料如何用于 3D 打印

使用高能量的激光束再由3D模型数据控制来局部熔化金属基体,同时烧结固化粉末金属材料并自动地层层堆叠,以生成致密的几何形状的实体零件.

如何生产3D 打印金属粉末

金属粉末制造是粉末冶金的一个基本方面.用于制备金属粉末的不同方法包括还原法、电解法、羰基分解法、研磨法和雾化法.

生产金属粉末最广泛使用的四种方法是固态还原法、电解法、化学法和雾化法.

大多数制造商使用电解和还原方法来生产元素金属粉末.但它们不适用于制造合金粉末.然而,雾化法倾向于克服这一限制,因此制造商将其用于生产合金粉末.

电解是另一种用于生产粉末金属的方法.通过选择合适的电解质组成、温度、浓度和电流密度,可以将不同的金属沉积为海绵状或粉末状.这之后可以进行洗涤、干燥、还原、退火和压碎.该方法生产纯度非常高的金属粉末.由于其高能量需求,它基本上用于高导电铜粉.

雾化法是指通过机械的方法使金属熔液粉碎成尺寸小于150μm左右的颗粒的方法.按照粉碎金属熔液的方式分类,雾化法包括二流雾化法、离心雾化、超声雾化、真空雾化等.这些雾化方法具有各自特点,且都已成功应用于工业生产.其中水气雾化法具有生产设备及工艺简单、能耗低、批量大等优点,己成为金属粉末的主要工业化生产方法.

3D打印对金属粉末的性能要求

1、纯净度

陶瓷夹杂物会显着降低最终制件的性能,而且这些夹杂物一般具有较高的熔点,难以烧结成形,因此粉末中必须无陶瓷夹杂物.除此之外,氧、氮含量也需要严格控制.目前用于金属3D打印的粉末制备技术主要以雾化法为主,粉末具有大的比表面积,容易氧化,在航空航天等特殊应用领域,客户对此指标的要求更为严格,如高温合金粉末氧含量为0.006%-0.018%,钛合金粉末氧含量为0.007%-0.013%,不锈钢粉末氧含量为0.010%-0.025%.

2、粉末流动性和松装密度

粉末流动性直接影响打印过程中铺粉的均匀性和送粉过程的稳定性.流动性与粉末形貌、粒度分布及松装密度相关,粉末颗粒越大、颗粒形状越规则、粒度组成中极细的粉末所占的比例越小,其流动性越好;颗粒密度不变,相对密度增加,粉末流动性则增加.另外,颗粒表面吸附水、气体等会降低粉末流动性.

3、粉末粒度分布

不同3D打印设备及成形工艺对粉末粒度分布要求不同.目前金属3D打印常用的粉末粒度范围是15-53μm(细粉)、53-105μm(粗粉).3D打印用金属粉末粒度的选择主要是根据不同能量源的金属打印机划分的,以激光作为能量源的打印机,因其聚焦光斑精细,较易熔化细粉,适合使用15-53μm的粉末作为耗材,粉末补给方式为逐层铺粉;以电子束作为能量源的铺粉型打印机,聚焦光斑略粗,更适于熔化粗粉,适合使用53-105μm的粗粉为主;对于同轴送粉型打印机,则可采用粒度为105-150μm的粉末作为耗材.

4、粉末形貌

粉末形貌和粉末的制备方法密切相关.一般由金属气态或熔融液态转变成粉末时,粉末颗粒形状趋于球形,由固态状变为粉末时,粉末颗粒多为不规则形状,而由水溶液电解法制备的粉末多数呈树枝状.一般而言,球形度越高,粉末颗粒的流动性也越好.3D打印金属粉末要求球形度在98%以上,这样打印时铺粉及送粉更容易进行.

3D金属粉末打印的重要性

金属粉末使3D打印速度更快,并且可以进行快速原型制作.制造商还可以更有效地修改设计.这种方法也具有成本效益,因为金属 3D 打印机只使用制造所需零件所需的材料数量.使设计复杂的机器零件变得容易,并使"不可能"的机器零件的生产成为可能.