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3D新聞

新型金屬3D打印工藝的探索者 ——記新材料領(lǐng)軍人才梁賀

星之球科技 來源:搜狐2021-09-03 我要評(píng)論(0 )   

3D打印工藝是基于離散—堆積原理,由零件三維數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng), 采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件的快速成形技術(shù)。該成形方法是將產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造、分析高度一體化,不...

3D打印工藝是基于離散—堆積原理,由零件三維數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng), 采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件的快速成形技術(shù)。該成形方法是將產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造、分析高度一體化,不僅能夠顯著縮短研發(fā)周期和研發(fā)成本,而且越是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、原材料附加值高的產(chǎn)品,其快速高效成形的優(yōu)勢(shì)越顯著。3D打印工藝目前在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)、汽車、航空航天和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、土木工程、軍事等領(lǐng)域都有所應(yīng)用,并將逐漸取代傳統(tǒng)工藝。

梁賀博士對(duì)3D打印科研工科作一直保持著旺盛的進(jìn)取精神,不斷挖掘、擴(kuò)展新研究工藝。他2012年博士畢業(yè)后曾經(jīng)在北京有色金屬研究總院從事多年科研工作,現(xiàn)擔(dān)任山東歌爾股份有限公司結(jié)構(gòu)部總監(jiān)級(jí)高級(jí)工程師,已經(jīng)發(fā)表文章20篇,有5篇被SCI和EI收錄,先后申請(qǐng)25項(xiàng)專利,已經(jīng)授權(quán)10項(xiàng)發(fā)明專利,4項(xiàng)實(shí)用新型專利。梁賀研究方向?yàn)榈男滦?D打印工藝,主要包括大型零件3D打印和小型零件3D微納打印。

目前大型金屬3D打印制造技術(shù)主要有:激光同軸送粉打印工藝、電子束熔化和電弧增材制造技術(shù)等。

激光同軸送粉3D打印技術(shù)是采用同步送粉方式,將金屬粉末輸送至加工點(diǎn),同時(shí)高功率激光將金屬粉末熔化,按照預(yù)設(shè)軌跡逐層沉積,最終形成金屬零件。可適用于不銹鋼、工具鋼、鈦合金、鋁合金、鎳基合金、炭化鎢硬質(zhì)合金、鎢鉻鈷合金、鈷鉻鉬合金、青銅合金、貴金屬合金等多種金屬材料,激光同軸送粉3D打印還能進(jìn)行零件修復(fù)及表面合金化等多種加工工藝,如圖1所示。

圖1 同軸送粉激光3D打印

電子束選區(qū)熔化金屬3D打印采用電子束作為能量源,在高真空環(huán)境下通過逐層熔化金屬粉末的方式制造實(shí)體部件。由于電子束的功率高、材料對(duì)電子束能量吸收率高,該技術(shù)具有制件致密度高、氧含量少、不易變形開裂、粉末耗材價(jià)格低、打印效率高等特點(diǎn),在金屬材料特別是難熔難加工金屬材料的3D打印方面具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用價(jià)值,在骨科醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,如圖2所示。

圖2 電子束選區(qū)熔化金屬3D打印示意圖

電弧增材制造技術(shù)以電弧為載能束,采用逐層堆焊的方式制造金屬實(shí)體構(gòu)件,該技術(shù)主要基于TIG、MIG等焊接技術(shù)發(fā)展而來,成形零件由全焊縫構(gòu)成,化學(xué)成分均勻、致密度高,開放的成形環(huán)境對(duì)成形件尺寸無限制,成形速率可達(dá)幾kg/h,但電弧增材制造的零件表面波動(dòng)較大,成形件表面質(zhì)量較低,一般需要表面二次機(jī)加工,相比激光同軸送粉、電子束增材制造,電弧增材制造技術(shù)的主要應(yīng)用目標(biāo)是大尺寸復(fù)雜構(gòu)件的低成本、高效快速近凈成形,如圖3所示。

圖3 電子束選區(qū)熔化金屬3D打印示意圖

但這三種工藝都存在共同的缺點(diǎn):

(1)3D打印時(shí)零件應(yīng)力變形大,需要增加較多的額外余量尺寸,造成一定的材料和工時(shí)的浪費(fèi),增加了生產(chǎn)成本,降低了生產(chǎn)效率,后續(xù)需要進(jìn)行去應(yīng)力退火,因此打印特大型零件受到了退火爐尺寸的限制;

(2)對(duì)導(dǎo)熱性能不同的材料,零件打印效果都有一定的缺陷,熱導(dǎo)率較低的TC4鈦合金打印后為網(wǎng)籃組織并伴有少量的魏氏過燒組織,銅合金和鋁合金等熱導(dǎo)率較高的材料打印時(shí)有較多的微裂紋缺陷,成形效果不理想;

(3)零件打印后經(jīng)常有融合不良問題,內(nèi)部存在微裂紋或氣孔,進(jìn)行無損檢測(cè)后缺陷較多,無法滿足驗(yàn)收要求;

(4)零件退火后晶粒粗大,直徑一般超過100微米,遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)工藝加工零件的晶粒,機(jī)械性能和抗疲勞性能較低。

針對(duì)這種情況,梁賀博士首次提出了“3D打印、感應(yīng)加熱和超聲高頻微鍛”三位一體的3D打印工藝,即在零件3D打印部分高度后,對(duì)整層打印平面進(jìn)行感應(yīng)加熱和超聲高頻微鍛處理,主要用于消除應(yīng)力和細(xì)化晶粒組織。

根據(jù)打印零件的尺寸確定采用感應(yīng)器加熱的外形尺寸、 電源功率和頻率,感應(yīng)加熱裝置與3D打印傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一起固定,通過程序?qū)φw的打印平面進(jìn)行感應(yīng)加熱掃描,感應(yīng)加熱的溫度根據(jù)具體材料確定,一般要求加熱到再結(jié)晶溫度以上。由于3D打印增材制造屬于近凈成形,不能采用傳統(tǒng)大變形量鍛造工藝,因此采用超聲高頻鍛打工藝對(duì)加熱后的工件部分進(jìn)行超聲微鍛,達(dá)到去應(yīng)力和晶粒細(xì)化的目的。

該工藝的主要優(yōu)點(diǎn)是:

(1)及時(shí)去除3D打印時(shí)零件的應(yīng)力變形,無需增加過多的額外尺寸余量,避免了材料和工時(shí)的浪費(fèi),節(jié)約了生產(chǎn)成本,提高了生產(chǎn)效率,后續(xù)無需進(jìn)行去應(yīng)力退火,因此可以打印特大型零件;

(2)該工藝適用于所有金屬材料的3D打印,可以根據(jù)不同材料的導(dǎo)熱性能和加工性質(zhì)設(shè)置3D打印、感應(yīng)加熱和超聲微鍛的工藝參數(shù),可以完全消除TC4鈦合金的網(wǎng)籃組織和魏氏過燒組織,同時(shí)消除銅合金和鋁合金等熱導(dǎo)率較高的材料3D打印時(shí)產(chǎn)生的微裂紋缺陷;

(3)該工藝打印的零件不會(huì)發(fā)生融合不良問題、微裂紋或微氣孔,無損檢測(cè)后無缺陷;

(4)零件打印后的金相組織直接為細(xì)小等軸晶粒,直徑不超過20微米,基本達(dá)到傳統(tǒng)工藝加工零件的晶粒,機(jī)械性能和抗疲勞性能比傳統(tǒng)3D打印工藝明顯提高。

作為山東歌爾股份有限公司結(jié)構(gòu)部總監(jiān)級(jí)高級(jí)工程師,梁賀博士還積極探索用3D微納打印技術(shù)提升傳統(tǒng)電子行業(yè),3D微納打印是通過使用微納米材料來噴印10微米到數(shù)毫米寬的精細(xì)電子線路,實(shí)現(xiàn)3D噴印,基本原理如圖4所示。

在霧化器里注入納米漿料,加入超聲和氣場(chǎng)霧化漿料成氣溶膠,霧化后的漿料(顆粒粒徑3-5微米)通過傳輸裝置過濾后到噴頭,噴嘴兩側(cè)加有氣場(chǎng),噴出的漿料不會(huì)接觸噴頭,噴頭到基板的距離可調(diào)節(jié)在1-5毫米,直接在3D基板上噴印。

氣溶膠噴射3D打印的最大優(yōu)勢(shì)在于漿料使用范圍廣,包括導(dǎo)電漿料,電解質(zhì),聚合物和粘合劑等,并且可以在低溫襯底上沉積這些材料從而實(shí)現(xiàn)一系列的應(yīng)用,而該工藝獨(dú)特的工作原理決定了氣流噴印可以打印出很細(xì)的線寬,微納3D打印過程如圖5所示。

1-5

mm

3

4

5

圖4 3D納米氣溶膠噴射基本原理

圖5 3D微納打印打印過程

微納3D打印具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)打印液滴直徑小,微納3D打印產(chǎn)生的液滴能夠比針頭尺寸小一個(gè)數(shù)量級(jí),可以實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí),納米級(jí)的打印分辨率,單層打印厚度可達(dá)100納米以下,最小打印線寬可達(dá)10微米;

(2)打印材料廣泛,絕緣或?qū)щ娦再|(zhì)的液體、有機(jī)及無機(jī)材料、各種溶液或懸濁液都可以用來打?。?/p>

(3)噴頭不易堵塞,微納3D打印是使用超聲和高壓氣場(chǎng)將氣溶膠流體從噴嘴噴出,能夠克服因?yàn)榱黧w粘度太高而噴嘴堵塞的問題;

(4)精度高,由于噴嘴與接收基板之間的距離很小,能夠減小因?yàn)榭諝鈹_動(dòng)等導(dǎo)致的定位誤差,精度高,可控性好;

(5)無需制作模板可以實(shí)現(xiàn)即時(shí)設(shè)計(jì),即時(shí)打印,同時(shí)可以在平面/曲面/立體結(jié)構(gòu)上打印,打印效率高,一臺(tái)設(shè)備打印的產(chǎn)品年產(chǎn)可達(dá)上百萬片;

(6)應(yīng)用范圍廣,非常適合于復(fù)雜和高精度圖案化,在柔性電子制造中具有廣泛的應(yīng)用前景,同時(shí)可在一些如發(fā)光二極管、生物打印技術(shù)、超材料等特殊領(lǐng)域可以開展應(yīng)用。

目前,梁賀博士主要通過研究微納打印的材料性能、氣溶膠形成工藝和微納打印工藝,開發(fā)手機(jī)天線及各類傳感器的大規(guī)模、微尺寸及柔性化制造之路,順應(yīng)消費(fèi)類電子產(chǎn)品的發(fā)展潮流,爭(zhēng)取盡早實(shí)現(xiàn)由普通電子產(chǎn)品向可穿戴智能產(chǎn)品的跨越式發(fā)展。


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