金屬3D打印技術及其專用電源的研究進展
近年來，3D打印技術逐漸應用于實際產品的制造，特別是金屬材料的制造。在國防領域，歐美發(fā)達國家重視3D印刷技術的發(fā)展，投入大量資金研究，3D印刷金屬部件一直是研究和應用的重點。它不能打印模具、自行車、槍支等武器，甚至不能打印汽車、飛機等大型設備。三維打印作為一種新的制造技術，在設備設計與制造、設備保障、航空航天等領域顯示出了非常廣闊的應用前景，并顯示出強大的發(fā)展勢頭。
1 3D打印概述
1.1 基本概述
3D打印技術的核心思想起源于19世紀末的美國，但直到20世紀80年代中期才形成。1986年，美國查爾斯·赫爾發(fā)明了臺3D打印機。3D打印技術于1991年在中國開始研究。大約在2000年，這些過程開始從實驗室研究到工程和生產逐漸發(fā)展。當時，它的名字是快速原型技術（RP），這是在開發(fā)樣本之前的物理模型?，F在又被稱為快速成型技術，材料加成制造。但為了方便公眾接受，這種新技術統(tǒng)稱為3D打印。三維打印是一種基于數字模型設計的快速成型技術，三維物體的生成技術是利用金屬粉末或樹脂等粘合材料層層“增料”印刷而成。3D打印被稱為“上個世紀的思想和技術，本世紀的市場”。
1.2 3D打印特點
1)精度高。目前，3D打印裝置的精度可以控制在0.3mm以下。
2）短周期。3D打印不需要模具的制造工藝，大大縮短了模型的生產時間。一般來說，模型可以在幾小時甚至幾十分鐘內打印出來。
3)個性化。3D打印對打印模型的數量沒有限制，無論是否可以以相同的成本進行一個或多個打印。
4）材料的多樣性。3D打印系統(tǒng)可以打印不同的材料，這些材料的多樣性可以滿足不同領域的需要。
5)成本相對較低。雖然目前3D打印系統(tǒng)和3D打印材料相對昂貴，但如果用于制作個性化產品，其生產成本相對較低。
2 金屬3D打印技術
金屬零件三維打印技術是整個三維打印系統(tǒng)中進、最有潛力的技術，是先進制造技術的重要發(fā)展方向。隨著科學技術的發(fā)展和普及應用的需要，利用快速成型直接制造金屬功能零件已成為快速成型的主要發(fā)展方向。目前，直接制造金屬功能件的快速成型方法主要有：選擇性激光熔接（SLM）、電子束選擇性熔接（EBSM）、激光工程網成型（透鏡）等。
2.1激光工程清潔成形技術（透鏡）。
透鏡是桑迪亞國家實驗室提出的一種新的快速成型技術。它的特點是直接制造具有復雜形狀結構的金屬功能零件或模具；多種可加工金屬或合金材料可以實現非均勻材料零件的制造；便于加工熔點高、加工難度大的材料。
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透鏡是在激光熔覆技術基礎上發(fā)展起來的金屬零件三維打印技術。所述金屬粉末采用中強激光同步熔化，并按預定軌跡逐層沉積在基片上，最終形成金屬零件。1999年，Lens Technology被評為美國工業(yè)“創(chuàng)意的25項技術”之一。國外學者對透鏡法制備的奧氏體不銹鋼試樣的硬度分布進行了研究。結果表明，試樣的維氏硬度隨加工層數的增加而降低。
采用透鏡法制備了承重植入體的多孔梯度結構。所用材料為鎳、鈦等與人體相容性好的合金。植入物的孔隙率為70%，植入物的使用壽命為7-12年?？死锵＜{等人。用Ti6Al4V和CoCrMo合金制備了多孔生物植入體，并對其力學性能進行了研究。結果表明，當孔隙率為10%時，楊氏模量可達90 GPa；當孔隙率為70%時，楊氏模量降至2 GPa。張等。制備了網狀鐵基（Fe-B-Cr-C-Mn-Mo-W-Zr）金屬玻璃（MG）模塊，發(fā)現MG的顯微硬度達到9.52GPA。采用LNS法對GTD-111定向凝固高溫合金進行了修復.采用透鏡法制備了國產薛春芳及其它具有良好組織、顯微硬度和力學性能的鈷基高溫合金薄壁件。通過透鏡工藝形成非變形Ni-Cu-Sn合金試樣。

復合材料零件增材制造技術
目前，材料添加制造的主要目的是制造單一材料的零件，如單一的聚合物材料和單一的金屬材料，目前正向單一陶瓷材料發(fā)展。隨著零件性能要求的提高，復合材料或梯度材料零件已成為急需開發(fā)的產品。例如，今后需要鈦合金和CoCrMo合金的復合，不僅要保證人工關節(jié)具有良好的耐磨界面(CoCrMo合金保證)，而且要與骨組織(Ti合金)具有良好的生物相容性，這就要求人工關節(jié)具有復合結構。由于增量制造中微單元的積累過程，每個積累單元可以通過不斷地改變材料來實現不同材料在一個零件中的組合，從而實現受控制造。
提到3D打印，很多**印象是塑料或樹脂印刷，但事實上，金屬也可以打印在3D！早在2015年，就有報道稱西班牙患者植入了世界上*復雜的三維印刷金屬胸骨。由此可見，金屬立體印刷在醫(yī)學領域很早就發(fā)揮了重要作用。
或者金屬3D印刷是要燒結的粉末層,層間結合當然不好,有缺陷,機械性能不超過傳統(tǒng)的成型方式。如果你這么想，你就出局了！事實上，金屬 3D 打印層和層與熔池結合，縱向性能不差，甚至可以超過橫向。隨著科技的發(fā)展，金屬三維打印的性能已經超過了鑄造和鍛造。下面，我們深入了解從金屬3D打印的五個應用領域！
EOS北美航空航天業(yè)務開發(fā)經理Scott Killian表示，當公司開始時，他們很容易轉向增材制造服務供應商的部分零件。 “一旦公司投入生產，他們就必須弄清楚供應鏈是否仍能滿足他們的需求，”他補充說。 “現在有很多潮流和流動讓供應鏈增加。”
許多航天公司直接與EOS（一家德國3D打印機制造商）或由增材制造服務提供商運營的EOS設備上的打印部件合作。 Killian可以討論的火箭客戶是Launcher。這家開發(fā)3D打印銅雙金屬發(fā)動機的紐約公司已同意與EOS展開聯(lián)合營銷活動。
“他們希望公開談論他們正在做什么以及他們正在做什么，”基利安說。 “他們還希望在他們前進的過程中與我們密切合作?！?br>Launcher在5月發(fā)布推文，它生產出世界上的3D打印燃燒室，由單個部件組成。
由于EOS開始公開談論其與Launcher的合作，許多運載火箭開發(fā)商已聯(lián)系該公司討論增材制造。 Killian說，一些早期公司已經考慮了EOS機器的價格標簽并決定不購買機器。
“我們實際上遇到過這些創(chuàng)業(yè)公司的情況，他們與我們交談并決定與服務部門合作，直到將設備帶入并自行完成工作才有意義，”Killian說。 “我們不一定會直接與很多火箭公司做很多事情，但我們的平臺在那里幫助他們。”
3D打印新型熱電裝置創(chuàng)效率記錄-3d打印資訊
英國的研究人員在3D打印電子產品的性能方面取得了突破，通過一種新穎的制造方法創(chuàng)造出一種新型熱電裝置，將廢熱轉化為能源。該團隊在《先進能源材料》雜志上發(fā)表了一篇關于其工作的論文。
研究人員表示，該裝置由斯旺西大學SPECIFIC創(chuàng)新和知識中心的研究人員開發(fā)，將熱量轉換為電能，其效率比以前打印設備的性能高50％。該中心旨在開發(fā)減少碳排放的技術，包括更的建筑和工業(yè)流程。

3 SLM應用
SLM材料
SLM技術中使用的粉末材料可分為三類：混合粉末、合金粉末和元素金屬粉末。
一、混合粉末?；旌戏勰┯梢欢ū壤牟煌勰┙M成。現有的研究表明，成形密度和均勻性對SLM成形零件的力學性能有影響，但混合粉末的密度目前仍需提高。
二。預合金粉末。按成分可分為鎳基、鈷基、鈦基、鐵基、鎢基、銅基等.結果表明，采用預合金粉末材料制備的零件密度可達95%以上。
三。金屬粉末。一般來說，一次金屬粉末主要是鈦，具有良好的成型性，可達到98%的密度。
目前，SLM技術主要應用于工業(yè)領域，在復雜模具、個性化部件、航空航天、汽車等領域具有突出的技術優(yōu)勢。
航空航天
在研制載人航天器Superdraco的過程中，SpaceX利用SLM技術研制了載人航天器發(fā)動機。其冷卻通道、噴頭、節(jié)流閥等的結構非常高，3D打印可以很好地解決復雜結構的制造問題。SLM制造的零件的強度、韌性和斷裂強度能滿足各種苛刻的要求，使Superdraco在高溫高壓下工作。


SLS優(yōu)勢：
1.可以使用寬范圍的材料?？墒褂玫牟牧习猃?、聚苯乙烯和其它聚合物、鐵、鈦、合金和其它金屬、陶瓷、涂層砂等。
2。成形效率高。由于SLS技術不能完全熔化粉末SLS工藝原理
激光燒結技術是最復雜的三維打印技術之一，其成型原理最復雜，條件越，設備和材料成本，但也是目前對3D打印技術發(fā)展影響最深遠的技術之一。理論上，任何能在加熱后形成原子間鍵合的粉末材料都可以用作SLS的成型材料。目前，可用于SLS設備印刷的材料主要是石蠟、尼龍、金屬、陶瓷粉及其復合材料。
SLS打印內部演示
2 SLS優(yōu)勢＆技術限制，而只能燒結粉末，所以制造速度很快。
3.材料利用率高。未燒結的材料可重復使用，材料的浪費少，成本低廉。
4。不需要支持。由于燒結粉末可以支撐模型的空腔和懸臂部分，因此不必按照FDM和SLA工藝設計支撐結構，直接生產出形狀復雜的原型和構件。
五、它具有廣泛的應用程序。由于模塑材料的多樣性，可以選擇不同的模塑材料來制造不同用途的燒結件，可用于制造原型設計模型、模具母模、精密鑄造熔煉模具、鑄造殼體和芯體等。
SLS技術限制：
1。原材料價格和采購維護成本較高。
二。SLS成形金屬零件的原理是低熔點粉末與高熔點粉末結合，導致零件孔隙率高、力學性能差，特別是伸長性低，難以直接用于金屬功能零件的制造。
三。需要復雜的輔助工藝。由于SLS使用的材料差異很大，有時需要復雜的輔助工藝，如原料的長時間預處理(加熱)，完成后需要對成品表面進行粉末清洗。
3 SLS的應用
金屬粉末的燒結
SLS燒結用金屬粉末有三種：單一金屬粉末、混合金屬粉末、金屬粉末和有機粉末。因此，SLS技術形成金屬零件的方法主要有三種：
a. 單一金屬粉末的燒結
例如鐵粉，先將鐵粉預熱到一定溫度，再用激光束掃描、燒結。經過熱等靜壓處理后，成品的相對密度可達99.9%。
b. 金屬混合粉末的燒結
它主要是兩種金屬的混合物，一種熔點較低，另一種熔點較高。例如青銅粉末和鎳粉的混合物。金屬混合粉末預熱到一定溫度。然后用激光束掃描低熔點金屬粉末(如青銅粉)，將難熔鎳粉粘合在一起。液相燒結后，成品的相對密度可達82%。
c. 金屬粉末與有機黏合劑粉末的混合體
金屬粉和有機粘結劑粉按一定比例混合均勻。激光掃描后，有機粘合劑熔化。熔化的有機粘合劑將金屬粉末（如銅和有機玻璃粉末）結合在一起。在高溫處理燒結部件后，一方面除去部件中的有機粘合劑，另一方面提高部件的機械強度和耐熱性。


金屬粉末和金屬絲激光金屬沉積（LMD）三維打印技術
工藝概述：
激光金屬沉積(LMD)是一種焊接過程。該材料被引入高功率激光產生的熔池中。LMD屬于定向能量沉積(DED)過程。通常，填充材料是粉末，通過激光束周圍的錐形環(huán)形噴嘴噴射。添加的材料形成一個焊接，然后涂層金屬下面。該工藝用于部件耐磨性增加的包層應用、材料添加到磨損部件的修復應用或復雜幾何形狀的自由制造（3D打印）。與其他焊接形式相比，LMD在裝配過程中熱影響范圍較小，稀釋度較低，殘余應力較低。
沉積線材：
在當今的工業(yè)中，粉末LMD比線沉積更為常見，因為它更容易用單一的高功率激光源實現。然而，粉末的加工存在許多缺點：
粉末比電線貴得多，這是有問題的，因為LMD通常用于制造使用大量材料的大中型部件。
此外，并非所有通過噴嘴的粉末都被捕獲在浴中。對于自由制造，實際粉末利用率在20-80%之間，很大程度上取決于部分細度和工藝參數。從材料成本的角度來看，這是一個問題，從工程的角度來看也是一個問題。將粉末沉積頭重新安裝到任何未專門設計的加工上都會導致嚴重磨損。此外，用戶還需要處理未使用的粉末和粉末材料可能會造成健康風險。相比之下，盤條的利用率為100%，盤條的原材料不會造成任何危險。

金屬粉末行業(yè)聯(lián)合會發(fā)布增材制造標準
最近，全球金屬粉末工業(yè)聯(lián)合會（MPIF）發(fā)布了《金屬添加制造粉末表征標準綱要》。該文件匯編了九種與金屬粉末原料有關的現有測試方法，以幫助設計者和制造商“澄清技術，幫助企業(yè)”。
擁有粉末冶金50多年
MPIF成立于1944年，是第二次世界大戰(zhàn)結束時總部設在新澤西州普林斯頓的一個非營利組織。目前，協(xié)會由六個行業(yè)協(xié)會組成，包括金屬成型協(xié)會、耐火金屬協(xié)會和金屬添加劑制造協(xié)會。其成員包括HP、LPW、GE添加劑、Exone和桌面金屬。
總體來說，MPIF是為了滿足這些行業(yè)的利益，通過一系列的資源、活動和培訓來幫助員工了解情況。
它的粉末冶金基礎短期課程，包括添加劑制造模塊，被稱為“粉末冶金行業(yè)最長的操作流程”，已經活躍了50多年。
金屬合金粉末。
確保粉末與流動一致
MPIF最近出版的系列包含粉末樣品制備、材料純度、流動特性、粒度和粉末包裝的標準。例如，MPIF標準02描述了一種檢測金屬粉末中氧、碳和硫等雜質的方法。作為MPIF的詳細信息，“通常，本試驗中獲得的主要信息是粉末中含有的易氧化物的量。如果粉末含有明顯的水分，也可以顯示出來。“測試完成決定了可能影響合金質量和總體工藝控制的因素。