Đột phá vật liệu in 3D kim loại là cơ sở để phát triển
Vật liệu in 3D kim loại là cơ sở vật chất quan trọng để phát triển công nghệ in 3D kim loại. Ở một mức độ nào đó, sự phát triển của vật liệu quyết định liệu in 3D có thể được sử dụng rộng rãi hơn hay không. Hiện tại, vật liệu in 3D kim loại chủ yếu bao gồm nhựa kỹ thuật, nhựa cảm quang, vật liệu cao su, vật liệu kim loại và vật liệu gốm. trường đã được áp dụng. Những nguyên liệu thô được sử dụng trong in 3D kim loại này được phát triển đặc biệt cho các thiết bị và quy trình in 3D kim loại, khác với nhựa thông thường, thạch cao, nhựa, v.v. và dạng của chúng thường ở dạng bột, dạng sợi, dạng phiến và dạng lỏng. Chờ đợi. Thông thường, tùy thuộc vào loại thiết bị in và điều kiện vận hành, kích thước hạt của vật liệu in 3D kim loại dạng bột được sử dụng nằm trong khoảng từ 1 đến 100 μm và để duy trì tính lưu động tốt của bột, bột thường phải có mức độ hình cầu cao. .
Việc nghiên cứu phát triển và đột phá về vật liệu in 3D kim loại là cơ sở để thúc đẩy và ứng dụng công nghệ in 3D kim loại, đồng thời cũng là cơ sở đảm bảo cho việc in ấn đạt yêu cầu. Một là tăng cường nghiên cứu phát triển chất liệu, hình thành hệ thống chất liệu in ấn hoàn chỉnh. Trong những năm gần đây, vật liệu in 3D kim loại đã phát triển nhanh chóng. Năm 2013, in vật liệu kim loại tăng 28% và năm 2014 đạt hơn 30%, chiếm khoảng 12% vật liệu in 3D kim loại. Vật liệu kim loại chủ yếu là titan, nhôm, thép và niken. Hợp kim titan, hợp kim nhiệt độ cao, thép không gỉ, thép chết, thép cường độ cao, thép hợp kim và hợp kim nhôm có thể được sử dụng làm vật liệu in và đã được sử dụng rộng rãi trong sản xuất, sửa chữa và tái sản xuất thiết bị. Tuy nhiên, hiện tại không có hệ thống vật liệu in 3D kim loại và các vật liệu hiện có còn lâu mới đáp ứng được nhu cầu in 3D kim loại.
Các vật liệu được sử dụng để tạo hình lập thể bằng laser chủ yếu là vật liệu trơ kim loại và bước tiếp theo là thử các vật liệu in kim loại hoạt động khác. Bột kim loại truyền thống được sử dụng trong luyện kim bột không thể đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của in 3D và hiện tại có rất ít loại vật liệu kim loại có thể được sử dụng để in và giá tương đối cao. Đã có một số công ty nước ngoài chuyên sản xuất bột kim loại để in 3D như Sulzer Metco của Mỹ và Sandvik của Thụy Điển nhưng họ chỉ có thể cung cấp một số loại bột kim loại thông thường. Nghiên cứu và phát triển vật liệu trong nước tương đối tụt hậu và bột in quá đắt. Do chu kỳ nghiên cứu và phát triển vật liệu dài và việc nghiên cứu và phát triển khó khăn hơn so với thiết bị nên các doanh nghiệp không muốn tiến hành nghiên cứu và phát triển vật liệu vì tối đa hóa lợi ích. Huanghe Cyclone Co., Ltd. là một trong số ít doanh nghiệp trong nước tham gia sản xuất vi bột kim cương và vi bột CBN. Nghiên cứu của trường đại học cũng rất quan tâm đến thiết bị và phần mềm in 3D, vì vậy các vật liệu in phần lớn hạn chế sự phát triển và ứng dụng của công nghệ in 3D kim loại.
bột kim loại
Bột kim loại được sử dụng trong in 3D thường yêu cầu độ tinh khiết cao, hình cầu tốt, phân bố kích thước hạt hẹp và hàm lượng oxy thấp. Hiện tại, vật liệu bột kim loại được sử dụng trong in 3D chủ yếu bao gồm hợp kim titan, hợp kim coban-crom, thép không gỉ và vật liệu hợp kim nhôm, ngoài ra còn có vàng, bạc và các vật liệu bột kim loại quý khác được sử dụng để in đồ trang sức. Bột kim loại in 3D, là mắt xích quan trọng nhất trong chuỗi các bộ phận kim loại của ngành in 3D, cũng là nơi tạo ra giá trị lớn nhất.
Tại "Hội nghị ngành công nghệ in 3D thế giới năm 2013", các chuyên gia có thẩm quyền trong ngành in 3D trên thế giới đã đưa ra định nghĩa rõ ràng về bột kim loại in 3D, dùng để chỉ nhóm các hạt kim loại có kích thước nhỏ hơn 1mm. Bao gồm bột đơn kim loại, bột hợp kim và một số bột hợp chất chịu lửa có tính chất kim loại. Hiện tại, vật liệu bột kim loại in 3D bao gồm hợp kim crom coban, thép không gỉ, thép công nghiệp, hợp kim đồng, hợp kim titan và hợp kim nhôm niken, v.v. Tuy nhiên, ngoài độ dẻo tốt, bột kim loại in 3D còn phải đáp ứng yêu cầu về độ mịn. kích thước hạt bột, phân bố kích thước hạt hẹp, độ cầu cao, tính lưu động tốt và mật độ lớn.
In 3D hợp kim titan
Hợp kim titan có ưu điểm là chịu nhiệt độ cao, chống ăn mòn cao, độ bền cao, mật độ thấp và khả năng tương thích sinh học, đã được sử dụng rộng rãi trong hàng không vũ trụ, công nghiệp hóa chất, công nghiệp hạt nhân, thiết bị thể thao và thiết bị y tế và các lĩnh vực khác. Các bộ phận hợp kim titan được chế tạo bằng kỹ thuật rèn và đúc truyền thống đã được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghệ cao. Lượng titan được sử dụng trong máy bay Boeing 747 lên tới 42,7 tấn. Tuy nhiên, việc sản xuất các bộ phận hợp kim titan lớn bằng phương pháp rèn và đúc truyền thống đã cản trở ứng dụng rộng rãi hơn của nó do các yếu tố bất lợi như giá thành sản phẩm cao, quy trình phức tạp, tỷ lệ sử dụng vật liệu thấp và quá trình xử lý tiếp theo khó khăn. Công nghệ in 3D kim loại về cơ bản có thể giải quyết những vấn đề này, vì vậy công nghệ này đã trở thành một công nghệ mới để sản xuất trực tiếp các bộ phận hợp kim titan trong những năm gần đây. Sự phát triển của các hợp kim titan mới là hướng chính của nghiên cứu ứng dụng SLM hợp kim titan. Do chỉ số biến dạng cứng của titan và hợp kim titan thấp (xấp xỉ 0.15), khả năng chống biến dạng cắt dẻo và khả năng chống mài mòn kém, điều này hạn chế việc sử dụng các bộ phận của nó trong điều kiện nhiệt độ cao và mài mòn ăn mòn.
In 3D thép không gỉ
Thép không gỉ có đặc tính chống ăn mòn hóa học, chịu nhiệt độ cao và tính chất cơ học tốt. Do khả năng định dạng bột tốt, quy trình chuẩn bị đơn giản và chi phí thấp, đây là vật liệu sớm nhất được sử dụng trong in kim loại 3D. Ví dụ, Đại học Khoa học và Công nghệ Huazhong, Đại học Hàng không và Du hành vũ trụ Nam Kinh, Đại học Đông Bắc và các tổ chức khác đã tiến hành nghiên cứu chuyên sâu về in 3D kim loại. Nghiên cứu hiện tại chủ yếu tập trung vào việc giảm độ xốp, tăng cường độ và cơ chế tạo cầu của bột kim loại trong quá trình nóng chảy. Li Ruidi et al. đã sử dụng các thông số quy trình khác nhau để tiến hành các thử nghiệm tạo hình SLM trên bột thép không gỉ 304L, thu được công thức thực nghiệm cho mật độ của thép không gỉ 304L và tóm tắt cơ chế phát triển của hạt.
In 3D siêu hợp kim
Siêu hợp kim đề cập đến một loại vật liệu kim loại dựa trên sắt, niken và coban có thể hoạt động trong một thời gian dài ở nhiệt độ cao trên 600 độ và trong một số môi trường căng thẳng nhất định. Nó có độ bền nhiệt độ cao cao, khả năng chống ăn mòn và oxy hóa nhiệt tốt, độ dẻo và độ dẻo dai tốt. Hiện tại, theo loại ma trận hợp kim, nó có thể được chia thành ba loại: hợp kim dựa trên sắt, dựa trên niken và dựa trên coban. Hợp kim nhiệt độ cao chủ yếu được sử dụng trong động cơ hiệu suất cao. Trong các động cơ hàng không tiên tiến hiện đại, lượng vật liệu hợp kim nhiệt độ cao chiếm từ 40% đến 60% tổng khối lượng của động cơ. Sự phát triển của động cơ hàng không hiệu suất cao hiện đại có yêu cầu ngày càng cao hơn về nhiệt độ sử dụng và hiệu suất của các siêu hợp kim. Quá trình luyện kim phôi truyền thống có tốc độ làm nguội chậm, sự phân tách nghiêm trọng của một số nguyên tố và pha thứ hai trong phôi, khả năng gia công nóng kém, cấu trúc không đồng đều và hiệu suất không ổn định. Công nghệ in 3D kim loại đã trở thành một phương pháp mới để giải quyết nút cổ chai kỹ thuật trong quá trình hình thành các siêu hợp kim. NASA tuyên bố rằng trong cuộc thử nghiệm đánh lửa ở nhiệt độ cao được tiến hành vào ngày 22 tháng 8 năm 2014, vòi phun động cơ tên lửa được sản xuất bằng công nghệ in 3D kim loại đã tạo ra lực đẩy kỷ lục 9 tấn.
Hợp kim nhôm in 3D
Là hợp kim kết cấu nhẹ nhất, hợp kim nhôm có khả năng thay thế thép và hợp kim nhôm trong nhiều lĩnh vực ứng dụng do đặc tính giảm chấn và độ bền cao đặc biệt của nó. Ví dụ, ứng dụng nhẹ của hợp kim nhôm trong các bộ phận ô tô và máy bay có thể giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và khí thải. Hợp kim nhôm có khả năng phân hủy tại chỗ, mô đun Young thấp, độ bền gần bằng xương người, khả năng tương thích sinh học tuyệt vời và có nhiều triển vọng ứng dụng hơn so với hợp kim truyền thống trong cấy ghép phẫu thuật.
Kể từ khi công nghệ in 3D kim loại xuất hiện vào những năm 1990, việc in vật liệu polyme đã dần tập trung vào việc in bột kim loại và một số lượng lớn công nghệ mới, thiết bị mới và vật liệu mới đã được phát triển và áp dụng. Hiện nay, tốc độ đổi mới công nghệ thông tin tiếp tục tăng và sản xuất công nghiệp đang bước vào giai đoạn mới của trí tuệ và số hóa. Vào năm 2014, Đức đã đề xuất kế hoạch phát triển "Công nghiệp 4.0", chắc chắn sẽ tạo ra những thay đổi và đổi mới đột phá trong lĩnh vực công nghiệp, và công nghệ in 3D sẽ là động lực mạnh mẽ cho sự phát triển của trí tuệ công nghiệp. Công nghệ in 3D bột kim loại đã đạt được một số kết quả nhất định, nhưng tắc nghẽn vật liệu chắc chắn sẽ ảnh hưởng đến việc thúc đẩy công nghệ in 3D và công nghệ in 3D đặt ra các yêu cầu cao hơn đối với vật liệu. Có nhiều loại vật liệu kim loại phù hợp cho in 3D công nghiệp, nhưng chỉ những vật liệu dạng bột đặc biệt mới đáp ứng được yêu cầu của sản xuất công nghiệp.
Hướng phát triển trong tương lai của vật liệu kim loại in 3D chủ yếu có ba khía cạnh:
Một là làm thế nào để tăng cường nghiên cứu về mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất vật liệu trên cơ sở vật liệu hiện có, tối ưu hóa hơn nữa các thông số quy trình theo tính chất của vật liệu, tăng tốc độ in, giảm độ xốp và hàm lượng oxy, đồng thời cải thiện chất lượng bề mặt;
Thứ hai là phát triển các vật liệu mới để làm cho chúng phù hợp với in 3D kim loại, chẳng hạn như phát triển các vật liệu mới có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, chịu nhiệt độ cao và các tính chất cơ học toàn diện;
Thứ ba là sửa đổi và cải thiện hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật của vật liệu bột kim loại in 3D để thực hiện việc thể chế hóa và bình thường hóa các tiêu chuẩn kỹ thuật in vật liệu kim loại.