“在未來（或是在星際紀(jì)年的未來），機(jī)器可以制造機(jī)器。打印機(jī)就是*波新一代的智能機(jī)器，它們能設(shè)計、制造、修理、回收其他機(jī)器，甚至能夠調(diào)整和改進(jìn)其他機(jī)器，包括它們自己。”
───科利·多克托羅（科幻小說作家）
我們都可以感受得到，3D打印正在打破傳統(tǒng)的制造工藝局限。小編可以大膽地預(yù)測，未來3D打印將會顛覆整個世界。甚至出現(xiàn)了這樣的說法“3D（打印）一出，誰與爭鋒；3D（打印）在手，天下我有”，這個說法有點(diǎn)夸張，但是小編表示贊同，別問為什么，就是這么任性。不過話說回來，你們知道什么是3D打印嗎？目前的3D打印技術(shù)到底發(fā)展到了何種程度，到底能打印出來什么東西？別想太久，別老是想一些太俗的東西，相信你們也想不出幾種。小編隨便上網(wǎng)翻閱了一下，當(dāng)時就震驚了，下面小編隨便介紹一種。
下面是維也納工業(yè)大學(xué)展示的利用一種經(jīng)過改良的3D打印技術(shù)所打印出來的F1賽車模型，這個賽車模型尺寸為330*130*100 µm，大小只有沙粒那么大，可謂“一沙一賽車”。有沒有被震驚到？接下來小編要裝成3D打印技術(shù)大牛，給大家普及一下關(guān)于3D打印的一些基礎(chǔ)知識，有點(diǎn)枯燥，但是耐心看完肯定有收獲。
圖 1 3D打印F1賽車模型
何為3D打印？
3D打印（3 Dimensional Printing）又名增材制造（material additive manufacturing），是一種使任何形狀的三維固體物品通過數(shù)字模型得以快速實(shí)現(xiàn)的過程。3D打印的實(shí)質(zhì)是通過計算機(jī)輔助設(shè)計軟件，將某種特定的加工樣式進(jìn)行一系列的數(shù)字切片編輯，從而生成一個數(shù)字化的模型文件，然后按照模型圖的尺寸以某些特定的添加劑作為粘合材料，運(yùn)用特定的成型設(shè)備即3D打印機(jī)，用粉末態(tài)、液態(tài)、絲狀等的固體金屬粉或可塑性高的物質(zhì)進(jìn)行分層加工、疊加成型使原料將這些薄型層面逐層熔融增加，從而zui終“打印”出真實(shí)而立體的固態(tài)物體。通俗一點(diǎn)就是類似于擠牙膏，只不過擠出來的牙膏是按照一定程序規(guī)則堆疊成一個特定的形狀結(jié)構(gòu)。3D 打印技術(shù)被稱為“具有工業(yè)革命意義的制造技術(shù)”，是制造業(yè)領(lǐng)域正在迅速發(fā)展的一項新興技術(shù)，已成為現(xiàn)代模型、模具和零部件制造的有效手段，在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域得到了一定應(yīng)用。
3D打印用金屬粉末
金屬零件 3D 打印技術(shù)作為整個 3D 打印體系中zui為前沿和zui有潛力的技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。3D 打印用金屬粉末作為金屬零件 3D 打印產(chǎn)業(yè)鏈zui重要的一環(huán)，也是zui大的價值所在。 下面就3D打印用金屬粉末進(jìn)行詳細(xì)介紹。
在“2013 年世界 3D 打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會”上，世界 3D 打印行業(yè)的專家對 3D 打印用金屬粉末給予明確定義，即指尺寸小于 1mm 的金屬顆粒群。 包括單一金屬粉末、合金粉末以及具有金屬性質(zhì)的某些難熔化合物粉末。目前，3D 打印用金屬粉末材料包括鈷鉻合金、青銅合金、工業(yè)鋼、不銹鋼、鈦合金和鎳鋁合金等。但是 3D 打印用金屬粉末除需具備良好的可塑性外，還必須滿足粉末粒徑細(xì)小、粒度分布較窄、球形度高、流動性好和松裝密度高等要求。下面對金屬粉末顆粒形狀、粒度及其分布對于3D打印產(chǎn)品質(zhì)量的影響作詳細(xì)介紹。
金屬粉末顆粒形狀、粒度及其分布對3D打印成品的影響
顆粒形狀：
在金屬粉末制備過程中，粉末顆粒會隨著制備方法的不同而呈現(xiàn)不同形狀，如球形、近球形、多角形、多孔海綿狀、樹枝狀等。粉末的顆粒形狀直接影響到粉末的流動性、松裝密度，進(jìn)而對所制備金屬零件的性能產(chǎn)生影響。
一般來說，球形或者近球形粉末具有良好的流動性，在打印過程中不易堵塞供粉系統(tǒng)，能鋪成薄層，進(jìn)而提高3D打印零件的尺寸精度、表面質(zhì)量，以及零件的密度和組織均勻性，是作為3D打印的原料形狀類型。但是要注意，球形粉末的顆粒堆積密度小，空隙大，使得零件的致密度小，也會影響成形質(zhì)量。
3D打印用金屬粉末的制備技術(shù)的發(fā)展制約著3D打印金屬零件行業(yè)的發(fā)展。3D 打印用金屬粉末低成本制備技術(shù)的突破成為國內(nèi)外研究人員亟需攻克的難題。近年來，國內(nèi)外企業(yè)在 3D 打印金屬粉末制備領(lǐng)域投入了大量的資金和技術(shù)力量，都取得了一定的進(jìn)展。下面為兩種金屬粉末，用飛納臺式掃描電鏡對比兩種粉末的微觀形貌，可知金屬粉末A要優(yōu)于金屬粉末B。金屬粉末A基本上為飽滿的球狀顆粒，幾乎沒有粘接在一塊的。而金屬粉末B各種形狀都有，球狀、桿狀以及不規(guī)則的形狀等，有些粉末顆粒粘在一起，形成所謂的“衛(wèi)星粉”。
金屬粉末A
金屬粉末B
粉末粒度及其分布：
一般來說，金屬粉末的粒度越小，越有利于燒結(jié)的順利進(jìn)行，因為粒度越小，比表面積越大，燒結(jié)的驅(qū)動力也就越大。此外，細(xì)小的粉末顆粒之間的空隙小，相鄰鋪粉層之間連接緊密，有利于提高燒結(jié)致密化和燒結(jié)強(qiáng)度。小顆粒的金屬粉末還可以填充到大顆粒的空隙中，能夠提高粉末的堆積密度，從而有利于提高打印的金屬零件的表面質(zhì)量和強(qiáng)度。但是，并不是顆粒越細(xì)越好，如果細(xì)顆粒過多,在燒結(jié)過程中容易出現(xiàn)“球化”現(xiàn)象，易造成鋪粉厚度不均勻。所謂的“球化”現(xiàn)象，就是為使熔化的金屬液表面與周圍介質(zhì)表面構(gòu)成的體系具有zui小的自由能，在表面張力的作用下，金屬液表面形狀向球形表面轉(zhuǎn)變的一種現(xiàn)象。“球化”通常會使金屬粉末熔化后無法凝固形成連續(xù)平滑的溶池，因而形成的零件疏松多孔，致使成型失敗。
3D 打印用金屬粉末粒度的選取根據(jù)熱源的不同也有所不同，一般來說，激光成形的粉末粒度在 30～50 μm，而電子束成形的粉末粒度在 50～90 μm。當(dāng)金屬粉末的大顆粒和小顆粒以恰當(dāng)?shù)谋壤旌希拍艿玫礁哔|(zhì)量的3D打印金屬產(chǎn)品。
依據(jù)上面的介紹，我們可以知道對于金屬粉末的粒度及其分布的檢測相當(dāng)重要。目前對于這類金屬粉末的粒度及其分布的檢測的手段一般采用激光粒度儀。小編給大家介紹一種新的方法，利用掃描電鏡（SEM）的一些拓展軟件，也可以地進(jìn)行檢測。而且，小編覺得，SEM的這種手段測量結(jié)果更加準(zhǔn)確。下面是利用飛納臺式掃描電鏡顆粒統(tǒng)計分析測量系統(tǒng)對國內(nèi)某個廠家的金屬粉末進(jìn)行檢測，羅列了其中幾個圖。SEM的顆粒統(tǒng)計系統(tǒng)，不僅可以得到粉末的圓度、長直比、顆粒尺寸及分布等結(jié)果，還可以實(shí)時得到所檢測區(qū)域的形貌圖和對應(yīng)顆粒的識別情況，并對顆粒識別不對的地方進(jìn)行手動剔除。從下面的顆粒識別圖片可以看出，顆粒統(tǒng)計系統(tǒng)對于顆粒的識別是相當(dāng)準(zhǔn)確的。有趣的是，我們可以從圓度-長徑比散點(diǎn)圖中，非常直觀地看到這批粉末到底圓不圓，其中每個點(diǎn)代表一個顆粒，圓度的值越接近于1越圓。
BSE圖片
顆粒識別圖片
顆粒直徑分布圖
顆粒圓度-長徑比散點(diǎn)圖
介紹了這么多，大家學(xué)到了嗎？這篇文章部分內(nèi)容參考了華南理工大學(xué)高超峰博士在粉末冶金期刊發(fā)表的《3D打印用金屬粉末的性能特征及研究進(jìn)展》。
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