Процесс 3D печати аморфного металла:новая технология,которая открывает путь к традиционному производству

Процесс 3D печати аморфного металла — это технология аддитивного производства, основанная на принципе быстрого затвердевания. В последние годы, с быстрым развитием технологии 3D-печати и расширением использования аморфного металла в качестве нового материала, процесс 3D печати аморфного металла постепенно становится важным способом производства высокопроизводительных металлических деталей. В этой статье будут подробно рассмотрены принцип, процесс, технические проблемы и применение процесс 3D печати аморфного металла, а также другие связанные с ним вопросы.

1. Обзор аморфных металлов

Аморфные металлы, также известные как металлические стекла, — это материалы с уникальной атомной структурой, в которой атомы расположены не упорядоченно, как в обычных кристаллах, а в неупорядоченном состоянии. Эта особая структура придает аморфным металлам ряд превосходных физических и химических свойств. Во-первых, аморфные металлы обладают чрезвычайно высокой прочностью и твердостью, зачастую намного превышающей прочность и твердость обычных кристаллических металлов. Благодаря этому они отлично выдерживают большие нагрузки и удары, а также менее подвержены деформации и повреждениям. Во-вторых, аморфные металлы также обладают превосходной износостойкостью и коррозионной стойкостью, что позволяет им сохранять стабильную работоспособность в жестких условиях эксплуатации. Кроме того, аморфные металлы демонстрируют хорошие магнитомягкие свойства и высокие пределы упругости, что делает их идеальными для использования в различных высокотехнологичных приложениях.

2. Знакомство с технологией 3D-печати

(1) Принципы технологии 3D-печати

3D-печать, также известная как аддитивное производство, — это технология быстрого прототипирования. Основной принцип заключается в том, что трехмерная модель, разработанная на компьютере, разрезается на множество двухмерных слоев, а затем с помощью специальных 3D-принтеров материалы (например, пластмассы, металлические порошки и т. д.) укладываются слой за слоем, образуя в итоге твердый объект. Этот процесс устраняет необходимость в традиционной механической обработке или пресс-формах и позволяет изготавливать детали сложной формы непосредственно из цифровых моделей, что значительно повышает гибкость и эффективность производства.

(2) Развитие технологии 3D-печати

Технология 3D-печати зародилась в конце 1800-х годов и достигла зрелости в 1980-х. В 1986 году Чарльз Халл изобрел технологию SLA и выпустил первый коммерческий 3D-принтер. В 1990 году технологию SLS разработали Карл Декард и Джо Биман. С тех пор появились технологии FDM, LOM и другие. В 2005 году компания ZCorp выпустила первый цветной 3D-принтер высокой четкости. В 2010 году технология 3D-печати начала применяться в автомобильной, авиационной и других областях. В последние годы популярность и демократизацию технологии обеспечили 3D-принтеры с открытым исходным кодом и биомедицинские приложения. Благодаря достижениям в области материаловедения и программных алгоритмов 3D-печать становится важным направлением в производстве.

3. Принципы процесс 3D печати аморфного металла

Процесс 3D печати аморфного металла сочетает в себе свойства аморфных металлов и преимущества технологии 3D-печати, обеспечивая сохранение аморфной структуры материала в процессе формовки за счет точного контроля температуры и скорости охлаждения в процессе печати. В частности, в процессе печати металлический порошок быстро нагревается до расплавленного состояния с помощью высокоэнергетического источника, такого как лазер или электронный луч, а затем быстро охлаждается для формирования тонких аморфных слоев. Эти тонкие слои нарастают слой за слоем, образуя в итоге желаемую сложную структуру. Поскольку аморфные металлы склонны к образованию кристаллических структур при охлаждении, контроль скорости охлаждения является ключевым фактором для сохранения аморфного состояния. Процесс 3D печати аморфного металла требует не только высокоточного контроля температуры, но и глубокого понимания текучести и поведения материала при застывании.

4. технологический процесс 3D печати аморфного металла

Процесс 3D печати аморфного металла — это передовая технология, которая позволяет создавать объекты путем послойного добавления материала. Ниже приведено подробное описание процесса:

(1) Предварительная подготовка

1) Выберите устройство для 3D-печати:

Убедитесь, что выбран 3D-принтер, подходящий для печати аморфных металлов, например, устройство для селективного лазерного плавления (SLM) или электронно-лучевого плавления (EBM).

2) Подготовка материалов:

Приготовление аморфных металлических порошков, таких как порошки аморфных сплавов на основе циркония, титана или железа. Эти материалы обладают превосходными механическими свойствами и коррозионной стойкостью.

3) 3D-моделирование:

Создавайте трехмерные модели необходимых объектов с помощью программного обеспечения для автоматизированного проектирования (CAD). Убедитесь, что модель хорошо спроектирована, и избегайте сложных нависающих конструкций, чтобы уменьшить потребность в опорах.

(2) Подготовка и нарезка данных

1) Трансформация модели:

Преобразование 3D-модели в формат, распознаваемый принтером, например в формат STL.

2) Нарезка и обработка:

Модель нарезается на серию тонких кусочков (слоев) с помощью программного обеспечения для нарезки (например, Cura, MakerBot и т. д.), и задаются параметры печати, такие как толщина слоя, скорость печати и плотность заливки. Для печати аморфных металлов обычно требуется тонкая толщина слоя для обеспечения точности.

(3) Настройки среды печати

1) Подготовка платформы для печати:

Очистите платформу для печати и убедитесь, что она ровная. Для некоторых аморфных металлов может потребоваться предварительный нагрев платформы, чтобы уменьшить тепловое напряжение.

2) Контроль атмосферы:

Печать на аморфном металле должна осуществляться под защитой инертных газов, таких как аргон или азот, чтобы предотвратить окисление металлического порошка при высоких температурах.

(4) Процесс печати

1) Загрузите металлический порошок:

Загрузите порошок аморфного металла в систему подачи порошка принтера.

2) Запустите печать:

Файл с нарезкой передается в 3D-принтер, и начинается процесс печати. Принтер послойно укладывает и расплавляет порошок в соответствии с данными нарезки, и каждый слой порошка расплавляется и скрепляется с предыдущим под действием лазера или электронного луча.

3) Мониторинг в режиме реального времени:

Наблюдайте за процессом печати через интерфейс мониторинга принтера, чтобы обнаружить и устранить такие отклонения, как разбрызгивание порошка и неравномерное плавление.

(5) Постобработка

1) Снимите опоры:

После печати осторожно снимите опорную конструкцию с отпечатка, чтобы не повредить его.

2) Термическая обработка:

Отпечатки аморфных металлов часто требуют термической обработки для снятия напряжений и улучшения механических свойств. Процесс термообработки должен проводиться в вакууме или под защитой инертного газа для предотвращения окисления.

3) Обработка поверхности:

Выполните обработку поверхности отпечатков, например, шлифовку и полировку, чтобы улучшить их качество и точность размеров.

4) Проверка качества:

Качество отпечатков проверяется с помощью 3D-сканеров, рентгеновского контроля и других средств, чтобы убедиться, что они соответствуют требованиям дизайна.

5. распространенные материалы для процесс 3D печати аморфного металла

(1) Аморфные сплавы на основе титана:

Аморфные сплавы на основе титана, обладающие высокой прочностью, низкой плотностью и отличной биосовместимостью, идеально подходят для применения в медицине, например, для изготовления искусственных суставов и костных имплантатов. Его аморфная структура точно контролируется с помощью технологии 3D-печати, что придает материалу отличные механические свойства и высокую коррозионную стойкость.

(2) Аморфные сплавы на основе циркония:

Аморфные сплавы на основе циркония известны своей высокой твердостью, износостойкостью и ударопрочностью. Процесс 3D печати аморфного металла сплавы на основе циркония способны формировать сложные геометрические формы, подходящие для производства высокопроизводительного спортивного оборудования и аэрокосмических компонентов.

(3) Аморфные сплавы на основе железа:

Аморфные сплавы на основе железа обладают высокой проницаемостью и низкими потерями, что дает им широкое применение в электронике и датчиках. Процесс 3D печати аморфного металла позволяет изготавливать детали с точными магнитными свойствами, такие как сердечники трансформаторов и индуктивные компоненты.

(4) Аморфные сплавы на основе меди:

Аморфные сплавы на основе меди обладают хорошей электро- и теплопроводностью и подходят для производства материалов для электронной упаковки и компонентов терморегулирования. процесс 3D печати аморфного металла можно создавать сложные структуры из аморфных сплавов на основе меди и повышать тепловую эффективность электронных устройств.

(5) Аморфные сплавы на основе никеля:

Аморфные сплавы на основе никеля обладают превосходной коррозионной стойкостью и высокотемпературной прочностью, что делает их идеальными для использования в производстве химического оборудования и компонентов аэрокосмических двигателей. Процесс 3D печати аморфного металла позволяет точно контролировать микроструктуру аморфных сплавов на основе никеля для дальнейшего улучшения их свойств.

6. Ключевые технические проблемы и решения для процесс 3D печати аморфного металла

Процесс 3D печати аморфного металла привлек большое внимание благодаря своим уникальным преимуществам и широким возможностям применения, однако он также сталкивается с рядом технических проблем. Ниже перечислены основные технические проблемы и их решения:

(1) Контроль теплового напряжения

1) Проблема: Аморфные металлы подвержены термическим напряжениям в процессе охлаждения, что приводит к деформации или растрескиванию отпечатка.

2) Решение: Используйте предварительно нагретую подложку и технологию градиентного охлаждения, чтобы контролировать скорость охлаждения и снизить концентрацию теплового напряжения. Кроме того, оптимизируйте траекторию печати и толщину слоя, чтобы избежать локального перегрева.

(2) Повышенная точность печати

1) Проблема: из-за быстрой застываемости аморфных металлов трудно контролировать точность печати.

2) Решение: использование высокоточной технологии лазерного или электронно-лучевого плавления в сочетании с системой обратной связи в реальном времени для точного контроля температуры и размера бассейна расплава для обеспечения точности печати.

(3) Согласованность свойств материала

1) Проблема: Аморфные металлы имеют сложный состав и склонны к сегрегации в процессе приготовления, что влияет на постоянство свойств.

2) Решение: оптимизируйте состав сплава и используйте гомогенизирующий процесс термообработки для повышения однородности материала. В то же время строго контролируйте параметры печати, чтобы обеспечить стабильность характеристик каждой детали.

(4) Контроль пористости

1) Проблема: процесс 3D-печати подвержен образованию пористости, которая влияет на механические свойства и коррозионную стойкость аморфных металлов.

2) Решение: уменьшение образования пористости путем оптимизации параметров печати, таких как мощность лазера, скорость сканирования и подача порошка. Кроме того, для дальнейшего уменьшения пористости используются процессы последующей обработки, такие как термическое изостатическое прессование.

(5) Стоимость и эффективность

1) Проблема: высокая стоимость оборудования и материалов для 3D-печати из аморфных металлов и относительно низкая эффективность печати.

2) Решение: разработать недорогие и высокоэффективные технологии печати, такие как селективное лазерное плавление в сочетании с дуговым аддитивным производством. В то же время оптимизируйте процесс, чтобы повысить эффективность использования материалов и снизить производственные затраты.

7. применение процесс 3D печати аморфного металла

(1) Аэрокосмическая промышленность

Процесс 3D печати аморфного металла имеет широкий спектр применения в аэрокосмической отрасли. Поскольку аморфные металлы обладают высокой прочностью, малым весом и отличной усталостной прочностью, они очень хорошо подходят для изготовления сложных деталей для самолетов и ракет. Например, с помощью технологии 3D-печати можно изготавливать легкие детали двигателей, топливные сопла и т. д., эффективно снижая расход топлива и улучшая характеристики самолетов.

(2) Медицинская сфера

Биосовместимость аморфных металлов дает им большой потенциал в области медицины, поскольку 3D-печатные аморфные металлы можно использовать для создания персонализированных ортопедических имплантатов, зубных протезов и т. д. Эти имплантаты не только прочны и устойчивы к коррозии, но и могут быть точно подогнаны под анатомическое строение пациента, что повышает успешность операции и комфорт пациента. Эти имплантаты не только прочны и устойчивы к коррозии, но и точно соответствуют анатомическому строению пациента, что повышает успешность операции и комфорт пациента.

(3) Интеллектуальные области, такие как производство роботов

Процесс 3D печати аморфного металла демонстрирует большой потенциал в производстве роботов. Процесс 3D печати аморфного металла позволяет быстро создавать прототипы сложных конструкций, а также улучшать интеграцию и производительность компонентов роботов. Высокая прочность и коррозионная стойкость аморфных металлов эффективно повышают долговечность и надежность роботов. Кроме того, возможность индивидуальной настройки 3D-печати предоставляет больше степеней свободы при проектировании роботов, удовлетворяет конкретные требования к применению и способствует развитию легких и интеллектуальных роботов.

(4) Автомобильная промышленность

Процесс 3D печати аморфного металла позволяет создавать высокопроизводительные автомобильные детали, такие как корпуса двигателей и системы подвески. Это не только снижает вес автомобиля и повышает топливную экономичность, но и сокращает цикл разработки новых моделей. Благодаря 3D-печати автопроизводители могут быстро изготавливать детали со сложной структурой и производить их по индивидуальному заказу небольшими партиями.

(5) Производство пресс-форм

В области пресс-форм процесс 3D печати аморфного металла позволяет создавать формы для литья под давлением с фигурными каналами подачи охлаждающей воды. Такая форма позволяет добиться более эффективного эффекта охлаждения, сократить производственный цикл и повысить качество формовки изделий. Сложные структуры пресс-форм, которые трудно получить с помощью традиционных процессов, могут быть изготовлены с помощью точной технологии 3D-печати.

(6) Спортивное оборудование

Процесс 3D печати аморфного металла можно использовать для производства высокопроизводительного спортивного оборудования, такого как велосипедные рамы и клюшки для гольфа. Эти устройства не только легкие и прочные, но и могут быть настроены в соответствии с индивидуальными потребностями спортсменов, повышая спортивные результаты и комфорт.

8. Заключение

Процесс 3D печати аморфного металла позволяет изготавливать сложные конструкции и высокопроизводительные компоненты, которые невозможно реализовать с помощью традиционных производственных процессов, что повышает производительность и надежность изделий. Процесс 3D печати аморфного металла не только способствует модернизации обрабатывающей промышленности, но и привносит технологические инновации в аэрокосмическую отрасль, медицину, электронику и другие высокоточные и востребованные области.