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3D打印新发现:超声波能提升3D打印金属12%强度

3D打印新发现:超声波能提升3D打印金属12%强度

  • 分类:新闻中心
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  • 来源:
  • 发布时间:2020-03-03 14:40
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【概要描述】

3D打印新发现:超声波能提升3D打印金属12%强度

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近日,澳大利亚墨尔本皇家理工大学研究人员研究发现,利用超声波能够改变3D打印金属合金的微观结构,增强其强度和一致性,该研究有望推动增材制造新技术的发展。研究是由博士生CarmeloTodaro带领的RMIT大学团队尝试的一种被称为“定向能量沉积(DED)”的现有3D打印技术。


 

据了解,RMIT的研究人员使用了两种不同的常用合金打印出样品:Ti-6Al-4V是一种常用于飞机部件和生物力学植入物的钛合金;Inconel625则是一种镍基高温合金,常用于海洋和石油工业领域。无论使用的是哪种合金,其沉积表面实际上都是一个声波探测仪,即一个产生超声波振动的工具。在当金属凝固过程中,振动会对显微结晶作用从而使其形成更为紧密的结构。结果发现,跟没有使用超声波的相同样品相比,这些物质的抗拉强度和屈服应力增加了12%。

Todrao表示:“如果你观察3D打印合金的微观结构,你会发现它们通常是由大型细长的晶体构成。由于其机械性能较低并且在印刷过程中更容易出现裂纹,这使得它们更难被工程应用所接受。但是,我们在印刷过程中使用超声波所得到的合金的微观结构却有着明显的不同:合金晶体非常细小且完全是等轴的,这意味着它们在整个印刷金属部件的各个方向上都是均匀地形成的。”


 

此外,通过在打印过程中打开和关闭超声波发生器还可以在不同区域创建具有不同微观结构的单个项目。这是一种被称为“功能分级”的质量,它在考虑低重量或减少材料使用等因素的对象中非常有用。

3D打印合金通常是由大的细长晶体组成,机械性能较低,且在打印过程中更容易出现裂纹,使其难以用于工程应用。使用超声波处理过的合金晶体非常细小且完全等轴,这意味着其在整个3D打印金属部件的各个方向上都是均匀沉积的。研究人员相信,一旦超声增强3D打印技术得到进一步发展,难么它还将可能被用到其它金属的强度提升中,诸如不锈钢、铝合金和钴合金等。

超声波处理前后的显微组织对比

 

使用3D打印设计与改进生产了一个可堆叠的液压阀。直接操作减压阀是由钢和镀锌制成的,以防腐蚀。当Aidro的客户有小数额的阀门需求时,数控加工对于交货时间和成本来说是不可控的。相反,阀门使用3D不锈钢重新设计生产,重量减轻了60%。其结构墙和原来相比一样结实,在250bar压力测试下新的设计结果具有可比性。

 

主流金属3D打印技术:


激光选区烧结(SLS)

SLS整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成,粉末缸活塞上升,由铺粉车将粉末在成型缸上均匀铺上一层,计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹,有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。完成一层后,工作活塞下降一个层厚,铺粉系统铺上新粉,控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往复,层层叠加,直到三维零件成型。

纳米颗粒喷射金属成型(NPJ)

普通金属3D打印技术是使用激光熔化或激光烧结金属粉末颗粒,而纳米颗粒喷射金属成型(NPJ)技术采用的不是粉状形态,而是液态。这些金属以液体的形式被包裹在一个管子里并插入3D打印机,在金属3D打印的时候用含有金属纳米颗粒的“铁水”喷射成型。带来的好处是用铁水打印金属,整个模型会更圆润,而且能使用普通的喷墨打印头作为工具。当打印完成后,构建室会通过加热将多余的液体蒸发,只留下金属部分。

激光选区熔化(SLM)

激光选区熔化技术的基本原理是先在计算机上利用Pro/e、UG、CATIA等三维造型软件设计出零件的三维实体模型,然后通过切片软件对该三维模型进行切片分层,得到各截面的轮廓数据,由轮廓数据生成填充扫描路径,设备将按照这些填充扫描线,控制激光束选区熔化各层的金属粉末材料,逐步堆叠成三维金属零件。激光束开始扫描前,铺粉装置先把金属粉末平推到成形缸的基板上,激光束再按当前层的填充扫描线,选区熔化基板上的粉末,加工出当前层,然后成形缸下降一个层厚的距离,粉料缸上升一定厚度的距离,铺粉装置再在已加工好的当前层上铺好金属粉末,设备调入下一层轮廓的数据进行加工,如此层层加工,直到整个零件加工完毕。

激光近净成型(LENS)

激光近净成型(LENS)技术采用激光和粉末输送同时工作原理。计算机将零件的三维CAD模型分层切片,得到零件的二维平面轮廓数据,这些数据又转化为数控工作台的运动轨迹。同时金属粉末以一定的供粉速度送入激光聚焦区域内,快速熔化凝固,通过点、线、面的层层叠加,最后得到近净形的零件实体,成形件不需要或者只需少量加工即可使用。LENS可实现金属零件的无模制造,节约大量成本。

来源:机械制图网

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