材料与应用紧密结合 3D打印材料发展将走向高端
发布时间:2019-12-27 09:59 发布作者:shuai 浏览次数:

材料与应用紧密结合 3D打印材料发展将走向高端


  除了最为热门和吸引眼球的航空航天与医疗行业用途,模具市场尤其是随行冷却模具的打印是金属3D打印的另一个潜力市场。
  2017年,3D打印(增材制造)材料将根据3D打印的技术特点得到更好的针对性开发,在更细微的细节上满足应用端更高质量和更大的最终生产零件需求。同时,可用于3D打印过程的材料范围继续扩大,在低、中、高端领域满足一系列不同的需求。
  多种因素促进工程级材料的开发,包括标准机构、政府实验室、联盟和其他团体,以及更大的材料公司包括GKN、美铝、赢创、巴斯夫、Solvay在这一领域发力,而设备厂商的驱动成为另一主要因素,最典型的是惠普多射流技术,赢创与巴斯夫正在围绕着惠普的设备开发更多工程级材料,以打开设备更广阔的应用空间。
  材料与应用紧密结合
  改善增材制造材料的标准和指南
  用增材制造和3D打印的方法制作高质量的最终生产部件,这需要详细定义的材料和打印零件的标准和指南,并且涵盖设备和工艺,对于金属零件的3D打印尤其如此,金属打印在2017年继续成为增长最快的3D打印市场。
  在2016年,免费的在线搜索Senvol数据库生成了一套新的工业级增材制造工具用于提供给面向制造的工程师使用,Senvol数据库包含了工业增材制造设备和表征材料的性能数据,用户可以在上面根据自己的需求搜索与之相关的信息。其强大的专有算法可以帮助生产者确定哪些部分使用增材制造(AM)会比传统工艺更加有效。这个算法分析了整个供应链,并考虑了诸如库存、停机时间和运输等各项因素。Senvol指数(Index)并不受设备和材料厂商的影响,是个中立的工具,用来帮助那些想要通过增材制造来进行生产的用户降低行业进入壁垒
  举个例子来说,Arcam(AP&C)钛合金 Ti6Al4V(45 – 106微米)材料,通过Arcam Q20来加工,Senvol数据库就可以查到材料性能、工艺参数、粉末特性,和热等静压(HIP)的影响,这些数据来源于航空航天行业的最佳实践。各项指标均避免了其他航空航天企业做自己的材料表征的重复工作。由于不同的行业使用非常相似的材料,例如钛合金也用于医疗植入物的制造,这样的数据集可以被航空和医疗之间共享。
  Senvol的总裁Annie Wang已被选定为SAE增材制造委员会数据管理委员会副主席,这个技术委员会隶属于SAE航空航天材料系统。Annie Wang在委员会的重点工作将是建立一个系统,以确保材料规格的控制和溯源。数据管理委员会还将与SAE的MMPDS新兴技术工作组协调关于高分子复合材料CMH-17的SAE国际复合材料手册和新型金属材料的数据研究工作。
  关于标准化与数据对材料的促进作用,本站发表的ASTM增材制造国际标准与行业发展,大数据与3D打印手牵手做过深入分析。
  金属,金属,更多的金属
  最终生产零件,是3D打印的未来。近期的IDTechEx报告中提到2016金属打印机销售增长48%,材料销售增长32%。该报告涵盖了选择性激光熔化(SLM),电子束熔炼(EBM)、送粉、金属+粘结剂,焊接和一些新兴的技术。材料范围广:铝合金、钴合金、镍合金、钢、镍钛合金、钛合金、金、铂、钯、银、铜、青铜,和钨。由于对航空航天和医疗应用的高度重视,金属增材制造,由于航空航天行业的大量使用,钛合金占有31%的市场份额,同时,航空航天行业也大量投资于钴、镍和铝合金.。
  针对与SLM和EBM,根据Absolute Reports,预测到2021年的增长率保持在26.86%的年平均水平,另外根据Absolute Reports,欧洲金属市场的速度高于全球水平,从2011年到2016年保持了54.92%的高增长水平。
  金属粉末是金属增材制造的一大制约因素,根据Wholers与VDW报告,金属增材制造市场份额大约只占所有增材制造的10%左右,然而这一比例有望在2023年达到51%左右。而目前大多数领先的金属粉末制造商都在开发用于增材制造的金属粉末,虽然粉末还是供不应求,但这一现象有望很快发生改变。
 美铝开创了推动世界发展的多种材料解决方案,提供由钛、镍和铝制成的增值产品,并生产世界一流的铝土矿、氧化铝和原铝产品。为满足包括航空航天制造在内的各行业对增材制造的需求,美铝将其下游服务业务以Arconic公司的名义拆分出来。在宾夕法尼亚州的匹兹堡生产3D打印金属粉末,并设有美铝技术中心,除此之外,他们正在开发专有的钛、镍和铝粉末优化的3D打印航空零件。
  另外一家公司,吉凯恩(GKN)旗下设有吉凯恩传动系统、吉凯恩粉末冶金、吉凯恩航宇和吉凯恩陆地系统四个事业部。这四个业务部门相辅相成,为金属粉末的研究和应用带来领先优势。吉凯恩旗下的Hoeganaes有限公司生产的金属粉末制品在北美地区所占的市场份额超过了50%,Hoeganaes有限公司的产品在欧洲金属粉末制品市场的销售也呈快速增长。吉凯恩Hoeganaes还与德国的TLS技术公司达成合作成立合资公司,为北美地区的航空航天和医疗制造业提供可用于3D打印的钛金属粉末。 TLS技术公司为增材制造市场提供钛金属粉末也有20多年的历史。新公司设立在美国新泽西的Cinnaminson,并将于2017年开业,这将加强吉凯恩在增材制造领域提供高质量标准钛金属粉末的市场地位。
  在卡内基梅隆大学的领导NextManufacturing中心,通过巨大的同步X射线辐射机,足以看到百万分之一米的金属内部细节。X射线扫描金属3D打印的数据被送回匹兹堡来分析金属打印结果与打印参数之间的关系。研究人员利用基于X射线显微层析同步使3D打印钛合金零件的详细的图像,以帮助表征材料和提高零件的内部结构。
  先前的研究发现,3D打印钛合金构件的Ti-6Al-4V合金在EBM加工条件下拉伸性能达到或超过了大多数传统的制造标准。但由于孔隙率过大,零件的疲劳性能始终较差。研究小组发现,大多数的孔隙率可以通过调整打印机的工艺参数来消除,但对孔隙率的检测方法必须足够精确,并且包含足够的信息来恰当地描述它。NextManufacturing中心给出了一个最小的特征分辨率为1.5微米。
  在劳伦斯·利弗莫尔LLNL国家实验室的研究人员也在寻找气孔问题。他们发现激光粉末熔化金属工艺所产生的颗粒间的相互作用会导致孔隙率的增加。研究小组利用一个真空室,通过超高速的相机,和一个定制的显微镜设置观察被激光喷射并按照激光方向熔化过程。通过计算机模拟和流体动力学,研究人员还建立了模型,以帮助解释粒子运动。这些数据被捕获和用于更新仿真模型,有助于优化加工过程,并进一步理解孔隙度的发生和探索先进的诊断和修改的过程。在3D科学谷的探秘全球最先进的3D打印实验室-LLNL国家实验室中可以感受到LLNL以质量研究与前沿应用来引领3D打印发展的实力与魄力。
  对于孔隙率的研究,宾夕法尼亚大学还引入了X射线断层成像技术,详见3D科学谷发布的X射线断层成像技术作为3D打印的质量利器。
  而除了最为热门和吸引眼球的航空航天与医疗行业用途,模具市场尤其是随行冷却模具的打印是金属3D打印的另一个潜力市场,国际上最为熟知的品牌是山特维克,目前国内3D打印领域在模具钢材料及应用方面活跃的机构包括北京易加、无锡辛德华瑞粉末新材料科技,中国科学院重庆绿色智能技术研究院,上海蓝铸特种合金材料,东莞劲胜精密组件,东莞华晶粉末冶金,南京航空航天大学,华中科技大学等。
  但金属并不是唯一的材料
  金属,虽然吸引我们的目光,但并不是最主要的3D打印材料。根据BCC Research的研究报告,光敏树脂材料占据了2015年59.8%的打印材料市场,当然,随着金属材料市场的快速增长,光敏树脂材料预计将在2021年变为47%的市场份额。占据25%至26%的市场份额的是热塑性塑料。
  塑料正在变得更加具工程性能,这其中赋予3D打印更多附加值。VESTOSINT 3D Z2773材料,这种材料是使用惠普多射流融合3D打印机开发的第一个新的塑料粉末。新的PA-12粉末具有优异的力学性能,并且通过美国FDA(食品和药物管理局)标准,所以用这种材料制造出来的组件可以用于食品接触。
  目前,惠普的其他材料伙伴还包括巴斯夫、阿科玛和Lehman & Voss。
  塑料领域的另一个巨头,Solvay-苏威以其先进的轻量化解决方案以塑料取代部分金属为目标。Solvay先是在法国里昂成立技术中心,研究和生产Sinterline Technyl,又在美国格鲁吉亚州的Alpharetta开辟了一个新的实验室用于增材制造先进材料的研究。
  Solvay还为KetaSpire KT-820 PEEK材料做了专门测试,用于比较同一种材料通过3D打印来完成与通过传统注塑来完成的零件抗拉强度,该材料含有10%的玻璃纤维增强成分。
  当然,无论是金属还是塑料的3D打印市场,并不归大鳄完全所有,新型的技术以其独特的创新而存在,这其中就有意大利的CRP Technology,围绕着聚酰胺材料,CRP Technology的尼龙增强材料独具特色,其中Windform玻璃纤维增强聚酰胺材料,具有良好的拉伸强度,也可以被CNC数控加工,并且还是非导电材料,可以适用于电池盒,电气和电子部件和KERS能量回收容器。塑料如何代替金属?
  一个值得注意的现象,美国并没有注入大量的人力物力去开发自己的金属3D打印机,而是将精力集中在对金属打印过程的研究和质量控制,以及应用研究方面。另一方面,GE在2016年收购Concept Laser与Arcam公司,直接提升了美国在金属3D打印设备方面的话语权。
 (来源:互联网)