金属 3D プリント材料のブレークスルーが開発の基礎
金属 3D 印刷材料は、金属 3D 印刷技術の開発にとって重要な材料基盤です。 材料の開発は、3D プリントがより広く使用されるかどうかをある程度決定します。 現在、金属 3D 印刷材料には、主にエンジニアリング プラスチック、感光性樹脂、ゴム材料、金属材料、セラミック材料が含まれます。 フィールドが適用されました。 金属 3D 印刷に使用されるこれらの原材料は、金属 3D 印刷装置およびプロセス用に特別に開発されたものであり、通常のプラスチック、石膏、樹脂などとは異なり、その形状は一般的に粉末状、繊維状、層状、および液体です。 待って。 通常、使用される金属3Dプリンター用粉末材料の粒子径は、造形装置の種類や使用条件にもよりますが、1～100μmの範囲であり、粉末の良好な流動性を維持するために、一般的に粉末には次のことが求められます。真球度が高い。 .
金属 3D 印刷材料の研究開発とブレークスルーは、金属 3D 印刷技術の促進と応用の基礎であり、印刷を満足させるための基本的な保証でもあります。 一つは、材料の研究開発を強化し、完全な印刷材料システムを形成することです。 近年、金属 3D プリント材料が急速に発展しています。 2013 年には、金属材料の印刷は 28% 増加し、2014 年には 30% 以上に達し、金属 3D 印刷材料の約 12% を占めています。 金属材料は主にチタン、アルミニウム、スチール、ニッケルです。 チタン合金、高温合金、ステンレス鋼、ダイス鋼、高強度鋼、合金鋼、アルミニウム合金は印刷材料として使用でき、機器の製造、修理、再製造に広く使用されています。 しかし、現在、金属 3D 印刷材料システムはなく、既存の材料は金属 3D 印刷のニーズを満たすには程遠いものです。
レーザーステレオフォーミングに使用される材料は主に金属不活性材料であり、次のステップは他の活性金属印刷材料を試すことです。 粉末冶金で伝統的に使用されている金属粉末は、3D印刷の要件を完全に満たすことができず、現在、印刷に使用できる金属材料の種類が少なく、価格が比較的高い. 米国の Sulzer Metco やスウェーデンの Sandvik など、3D プリント用の金属粉末を専門とする外国企業はいくつかありますが、従来の金属粉末は数社しか提供できません。 国内の材料の研究開発は比較的遅れており、印刷粉は高すぎます。 材料の研究開発サイクルは長く、研究開発は装置よりも困難であるため、企業は利益の最大化から材料の研究開発を行うことに消極的です。 Huanghe Cyclone Co.、Ltd.は、ダイヤモンドマイクロパウダーとCBNマイクロパウダーの生産に従事する数少ない国内企業の1つです。 大学の研究は 3D プリント機器とソフトウェアにも熱心であるため、印刷材料は金属 3D プリント技術の開発と応用を大きく制限します。
金属粉
3D プリンティングで使用される金属粉末は、一般に、高純度、良好な球形、狭い粒度分布、および低酸素含有量を必要とします。 現在、3D 印刷に使用される金属粉末材料には、ジュエリーの印刷に使用される金、銀、その他の貴金属粉末材料に加えて、主にチタン合金、コバルトクロム合金、ステンレス鋼、アルミニウム合金材料が含まれます。 3D プリント業界の金属部品チェーンの中で最も重要なリンクである 3D プリント金属粉末は、最大の価値がある場所でもあります。
「2013 World 3D Printing Technology Industry Conference」で、世界の 3D 印刷業界の権威ある専門家が 3D 印刷金属粉末の明確な定義を示しました。これは、サイズが 1mm 未満の金属粒子のグループを指します。 単一の金属粉末、合金粉末、および金属特性を持ついくつかの耐火化合物粉末を含みます。 現在、3D プリント金属粉末材料には、コバルト クロム合金、ステンレス鋼、工業用鋼、青銅合金、チタン合金、ニッケル アルミニウム合金などがあります。しかし、3D プリント金属粉末は、良好な可塑性に加えて、細かい要件も満たさなければなりません。粉末の粒子サイズ、狭い粒子サイズ分布、高い真球度、良好な流動性、および高いかさ密度。
チタン合金 3D プリント
チタン合金は、高温耐性、高耐食性、高強度、低密度、生体適合性という利点があり、航空宇宙、化学産業、原子力産業、スポーツ用品、医療機器などの分野で広く使用されています。 伝統的な鍛造および鋳造技術によって製造されたチタン合金部品は、ハイテク分野で広く使用されています。 ボーイング747型機のチタン使用量は42.7tに達する。 しかし、従来の鍛造および鋳造法による大型チタン合金部品の製造は、製品コストの高さ、複雑なプロセス、材料利用率の低さ、およびその後の加工の困難さなどの不利な要因により、その幅広い用途を妨げてきました。 金属 3D プリント技術はこれらの問題を根本的に解決できるため、この技術は近年、チタン合金部品を直接製造するための新しい技術となっています。 新しいチタン基合金の開発は、チタン合金 SLM の応用研究の主な方向性です。 チタンおよびチタン合金のひずみ硬化指数が低いため (0.15 程度)、塑性せん断変形に対する耐性と耐摩耗性が低く、高温および腐食摩耗条件下での部品の使用が制限されます。
ステンレス鋼の 3D プリント
ステンレス鋼は、耐化学腐食性、耐高温性、および優れた機械的特性の特性を備えています。 その優れた粉末成形性、簡単な準備プロセス、および低コストにより、3D 金属印刷で使用される最も初期の材料です。 たとえば、華中科技大学、南京航空宇宙大学、東北大学などの機関は、金属 3D プリンティングに関する詳細な研究を行っています。 現在の研究は主に、気孔率の低減、強度の向上、および溶融プロセスにおける金属粉末の球状化メカニズムに焦点を当てています。 李瑞迪ら。 は、さまざまなプロセス パラメータを使用して 304L ステンレス鋼粉末の SLM 成形試験を実施し、304L ステンレス鋼の密度の実験式を取得し、結晶粒成長メカニズムをまとめました。
超合金の 3D プリント
超合金とは、鉄、ニッケル、およびコバルトをベースにした金属材料のクラスを指し、600 度を超える高温および特定の応力環境下で長時間機能することができます。 高温強度が高く、熱腐食と耐酸化性に優れ、可塑性と靭性に優れています。 現在、合金マトリックスのタイプに応じて、鉄ベース、ニッケルベース、コバルトベースの合金の3つのタイプに大別できます。 耐熱合金は、主に高性能エンジンに使用されます。 最新の高度な航空エンジンでは、高温合金材料の量がエンジンの総質量の 40% から 60% を占めています。 最新の高性能航空エンジンの開発では、使用温度と超合金の性能に対する要件がますます厳しくなっています。 従来のインゴット冶金プロセスでは、冷却速度が遅く、インゴット内で特定の元素と第 2 相が激しく偏析し、熱間加工性が低く、構造が不均一で、性能が不安定です。 金属 3D プリント技術は、超合金の成形における技術的なボトルネックを解決する新しい方法になりました。 NASA は、2014 年 8 月 22 日に実施された高温着火試験で、金属 3D 印刷技術によって製造されたロケット エンジン ノズルが記録的な 9 トンの推力を生み出したと主張しました。
アルミニウム合金 3D プリント
最軽量の構造用合金であるアルミニウム合金は、その特殊な高強度と減衰特性により、多くの用途分野でスチールやアルミニウム合金に取って代わる可能性があります。 たとえば、自動車や航空機の部品にアルミニウム合金を軽量化することで、燃料消費と排気ガスを削減できます。 アルミニウム合金は、その場での分解性、低いヤング率、人間の骨に近い強度、優れた生体適合性を備えており、外科的移植において従来の合金よりも多くの応用の可能性があります。
1990 年代に金属 3D 印刷技術が出現して以来、ポリマー材料の印刷は徐々に金属粉末の印刷に集中し、多数の新技術、新装置、新材料が開発され、適用。 現在、情報技術の革新のペースは進み続けており、工業生産はインテリジェンスとデジタル化の新しい段階に入っています。 2014年、ドイツは「Industry 4.0」開発計画を提案しました。これは、産業分野で破壊的な変化と革新を引き起こすことは間違いありません.3D印刷技術は、産業知能の開発のための強力な推進力となるでしょう. 金属粉末 3D 印刷技術は一定の成果を上げていますが、材料のボトルネックが 3D 印刷技術の推進に影響を与えることは避けられず、3D 印刷技術は材料に対してより高い要件を提示しています。 工業用 3D プリントに適した金属材料には多くの種類がありますが、工業生産の要件を満たすことができるのは特殊な粉末材料だけです。
3D プリント金属材料の今後の開発方向には、主に 3 つの側面があります。
1つは、既存の材料に基づいて材料構造と特性の関係に関する研究を強化し、材料の特性に応じてプロセスパラメータをさらに最適化し、印刷速度を上げ、気孔率と酸素含有量を減らし、表面品質を改善する方法です。
2つ目は、金属3Dプリンティングに適した新しい材料を開発することです。たとえば、優れた耐食性、高温耐性、および包括的な機械的特性を備えた新しい材料を開発することです。
3つ目は、3Dプリント金属粉末材料の技術標準システムを改訂および改善して、金属材料プリント技術標準の制度化と正常化を実現することです。