18518369092
3D打印与传统冶金、熔炼、粉末冶金工艺的区别
来源: | 作者:中科言诺 | 发布时间: 2021-06-17 | 3152 次浏览 | 分享到:

在当前3D打印产业当中,金属3D打印占据了相当大一部分比例,而且随着金属3D打印技术的日益成熟和成本大幅下降,其应用范围、深度和规模都在不断突破。比如在航空航天领域,金属3D打印已经从制造测试样件进入到批量生产的阶段;在齿科领域,3D打印金属牙冠也成为牙齿技工所的常规手段;在骨科领域,3D打印金属植入体开始规模化使用;在模具、散热器等领域正在替代传统工艺;在汽车领域还有巨大的应用潜力等待挖掘。

作为金属3D打印最常用的原材料之一,金属球形粉末发挥着至关重要的作用。由于3D打印在制造工艺上的特殊性,其所需的金属粉末也有区别于传统的粉末冶金方法,目前打印用粉末多是以球形度高、流动性好、纯度高的细粉为主。因此,像传统的还原法、电解法等方法生产出的不规则粉末难以在金属3D打印中得到实际应用。近年来,随着金属产品在装备制造领域应用的普及,金属3D打印的应用市场也不断扩大。为实现金属3D打印产业化大规模发展,对原材料金属粉末的产量、成本等要求也需要不断提高。

传统工艺:

熔炼-铸造法就是传统工艺,把矿石变成铁水、铁水变成钢水、钢水冷却成铸锭、铸锭再去冷热处理外加车铣刨磨。这样的工艺,我们称之为传统工艺。


粉末冶金:

粉末冶金虽然叫冶金其实和冶金关系不大。可以理解为用烧陶瓷的办法去做金属(把陶瓷粉换成金属粉)。简单来说就是把粉末装进模具里,压实,开烧,降温脱模结束


金属积层制造技术通过设备、金属粉末材料与成形技术制造出积层金属制品,虽可弥补传统减法制造工艺无法实现的复杂形状金属成品的制造,但成本较高,且在实际应用时也有尺寸精度、表面粗糙度、边角毛边、与烧结制程紧密关联的机械强度等问题需克服。

把髋关节球头3D设计图置于电脑模拟制造平台。


       3D列印或称为「积层制造,additive manufacturing, AM」,积层制造技术采用「加法式制造」,有别于传统的「减法式制造」。它的原理是使用者通过计算机绘制零件的设计图或扫描现有物件,接着以积层制造设备把原材料层层堆叠起来,最终形成坚固的物件。积层制造技术主要用来制造「形状与设计一致」、「尺寸符合公差适合度」、「成品具使用功能」的成品,而探索积层制造用的高纯净粉体才是当务之急的工作。过去,「旋转电极制粉法」是以金属或合金制成自耗电极,其端面受电弧加热而熔融为液体,通过电极高速旋转的离心力把液体抛出并粉碎为细小液滴,继而固化为粉末。另外,等离子旋转电极制粉技术是以电弧热熔解材料,靠离心力把金属液甩出形成金属液滴,借由表面张力作用使金属液滴呈球状,凝固后形成金属粉末。


电子显微镜下的金属粉末,形状较好的是黄色箭头处粉末,接近球状,适合用于3D列印技术中。红色箭头处的粉末形状不良,会造成铺粉时不平整而影响产品品质。


      总体来说,虽然3D列印技术可以制造任意形状的产品,但由于设备昂贵,粉末原料单价较高,因此并不能完全取代传统制程。可用材料不多的主因并不是设备或技术本身不能应用太多材料,而是有大多材料还需要开发相关参数才能使用。不同材料在3D列印时所用的功率大小、扫描速度等差异相当大,也因此需要投入相当多的人力、资源及时间研究。由于3D 列印过程中熔融金属冷却的速率相当快,因此在制程中要控制合金材料的微结构并不如传统制程容易。虽然可透过调整参数来控制,但调整的幅度依照各种材料的不同而有所差异,且同一种材料面对不同的应用环境,对于材料特性的需求也不同。因此,为了控制材料特性而进行参数开发是必要的。

传统金属热处理工艺摆放不同的产品在同一炉次中制造


3D列印未来还有非常多的挑战,像是可用材料不多、材料特性控制难,及产品后处理困难等有待克服。不过,这个技术还是具备以下优点是令人期待的!

 

  • 减轻元件重量-仅需建构材料就能获得最佳工件几何;

  • 快速反覆设计;

  • 定制或客制化项目;

  • 多重工件考量;

  • 降低工具成本;

  • 建构复杂几何,如薄壁、晶格和内部功能;

  • 增加设计自由度-AM不受传统设计规则限制。