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3D新聞

無須高能熱源,能以10倍速度成型的金屬3D打印技術(shù)

星之球科技 來源:騰訊新聞2020-11-03 我要評論(0 )   

傳統(tǒng)的金屬增材制造技術(shù)均采用高能熱源將材料熔化,這在材料的熔化/凝固過程中難免產(chǎn)生缺陷。本期我們要介紹的是一種新型的增材制造技術(shù),它完全不基于高能熱源,也不需...

傳統(tǒng)的金屬增材制造技術(shù)均采用高能熱源將材料熔化,這在材料的熔化/凝固過程中難免產(chǎn)生缺陷。本期我們要介紹的是一種新型的增材制造技術(shù),它完全不基于高能熱源,也不需要保護(hù)氣氛,還能以10倍于熔融成型3D打印的速度制造大型整體構(gòu)件,它就是攪拌摩擦增材制造技術(shù)。近日,美國公司Meld Manufacturing采用該技術(shù)打印出了直徑3.05米的鋁合金零件。

3D打印的直徑3.05米的零件

攪拌摩擦增材制造的基礎(chǔ)是攪拌摩擦焊技術(shù),它利用攪拌針與連接件的攪拌摩擦產(chǎn)生熱量軟化連接處的材料,再通過軸向的壓力使得材料連接在一起。這樣的焊接方式?jīng)]有經(jīng)過金屬的熔化與凝固,只是經(jīng)過塑性軟化和軸向的擠壓,連接處在材料性能上存在一定的優(yōu)勢。

攪拌摩擦焊的原理

攪拌摩擦增材制造就是基于攪拌摩擦焊的原理,把分離部件“連接”變成縱向的“堆積”,材料在高速旋轉(zhuǎn)的刀具作用下摩擦生熱,同時攪拌針的旋轉(zhuǎn)使得前進(jìn)側(cè)的材料跑到返回側(cè),這樣摩擦以及塑性變形產(chǎn)生的熱量使材料軟化,再在刀具的縱向壓力下形成熔核組織; 刀具在控制系統(tǒng)的控制下按照預(yù)定的軌跡運(yùn)動就會形成一個由焊核組織構(gòu)成的“純核”構(gòu)件,最終實(shí)現(xiàn)增材制造。

Meld Manufacturing攪拌摩擦增材制造過程

攪拌摩擦增材制造的三種進(jìn)料方式

筆者查詢資料發(fā)現(xiàn),攪拌摩擦焊增材制造有三種進(jìn)料方式,分別是板材、旋轉(zhuǎn)棒料和粉末三種?;诎宀牡倪M(jìn)料方式很容易理解,但從Meld Manufacturing的制造過程來看,很顯然不是這種方式。從其原理圖可以看出,它采用的應(yīng)當(dāng)是棒材進(jìn)料。

meld manufacturing攪拌摩擦增材制造原理

meld manufacturing攪拌摩擦增材制造視頻演示

以棒材的進(jìn)料方式已經(jīng)證明了可以得到多道多層的成型件,其最大的特點(diǎn)是在送料和刀具上,也就是進(jìn)料棒還充當(dāng)了“刀具”的角色,起到摩擦擠壓的作用,所以此模式的材料利用率很高。對于以板材為進(jìn)料的方式,其進(jìn)料上主要是根據(jù)需要逐層添加板材,然后用獨(dú)立的刀具進(jìn)行摩擦增材制造,在材料利用率上打了很大折扣,而且由于進(jìn)料板的先前形狀,在成型件形狀上有了限制,所以成型控制性較差。另外,此方式需要夾具對進(jìn)料板進(jìn)行固定,給加工過程帶來不便。以粉料添加進(jìn)料的方式,可隨刀具運(yùn)動實(shí)時添加,具有很高的材料利用率和很好的成型控制性。

基于多層板材的攪拌摩擦焊

攪拌摩擦增材制造的技術(shù)優(yōu)勢

這三種進(jìn)料方式的一個共同特點(diǎn),也是該技術(shù)本質(zhì)上的優(yōu)勢,就是經(jīng)過摩擦攪拌過程可以得到性能良好的微觀結(jié)構(gòu)(細(xì)晶組織),而這正是實(shí)現(xiàn)良好機(jī)械性能的本質(zhì)。進(jìn)料通過與攪拌針摩擦生熱,發(fā)生塑性軟化,然后再通過兩者的擠壓,實(shí)現(xiàn)增材過程。在這樣的過程中,材料并未經(jīng)歷熔化與凝固而一直保持固態(tài),且過程中的擠壓又起到“鍛造”作用,最終得到的是性能良好的細(xì)晶組織。細(xì)晶組織具有良好的機(jī)械性能和疲勞性能,且能改善材料的延展性,這也是材料提高強(qiáng)度等性能的原因。

Meld Manufacturing采用攪拌摩擦增材制造的部件

此外,由于成形過程中不存在金屬的熔化/凝固過程,材料在成形過程中不會產(chǎn)生與熔化相關(guān)的熱裂紋、氣孔等冶金缺陷。而正是由于成形溫度低且成形發(fā)生在材料內(nèi)部也不會受外界影響造成材料氧化等問題,生產(chǎn)過程可以在露天環(huán)境中進(jìn)行,所制造的部件的尺寸顯著增加。

同其他大型金屬增材制造技術(shù)一樣,該技術(shù)所制造的零件需要通過銑削才能獲得最終成品。

攪拌摩擦增材制造可成型材料和應(yīng)用

雖然可查詢到的資料多以鋁合金的攪拌摩擦增材制造居多,但Meld Manufacturing已經(jīng)成功開發(fā)出鈦合金、銅合金、不銹鋼以及鎳基合金等主流材料的3D打印工藝。所制造的IN625的疲勞壽命相比原料棒材提高了4倍,并能夠以至少10倍于粉末熔融工藝的速度進(jìn)行材料沉積。而且,該工藝能夠制造多金屬材料和梯度材料。

Meld Manufacturing攪拌摩擦增材制造的銅合金部件

Meld Manufacturing的攪拌摩擦增材制造技術(shù)已經(jīng)在大型卡車和國防裝甲車輛中獲得應(yīng)用,該公司被美國陸軍選為遠(yuǎn)征技術(shù)服務(wù)商,使其盡可能靠近戰(zhàn)場進(jìn)行維修和生產(chǎn)戰(zhàn)斗車輛部件,同時提高整體效率并降低成本。


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