是的,可以用金屬 3D 打印物品。有幾種制造工藝屬于金屬增材制造的范疇,但本文集中討論那些使用金屬粉末層來構(gòu)建和形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工藝,這些結(jié)構(gòu)可能難以用其他技術(shù)制造。
金屬 3D 打印過程涉及直接燒結(jié)或熔化金屬粉末,或?qū)⑺鼈兣c第二種材料結(jié)合以允許通過噴嘴進(jìn)行輸送。它用于航空航天、機械工程、工具等領(lǐng)域的快速原型制作和成品零件。
哪些金屬可用于 3D 打印?
多種不同的金屬可以粉末形式用于通過3D 打印制造零件。鈦、鋼、不銹鋼、鋁、銅、鈷鉻合金、鈦、鎢和鎳基合金都可以粉末形式用于 3D 打印,金、鉑、鈀和銀等貴金屬也是如此。
這些不同的金屬具有各種特性,使其適用于各種應(yīng)用。例如,不銹鋼具有出色的耐腐蝕性,使其成為打印管道、閥門和汽輪機零件的理想材料。
哪些金屬不能進(jìn)行 3D 打印?
從理論上講,只要有合適的粉末,任何金屬都可以用于 3D 打印。然而,在高溫下燃燒而不是熔化的材料不能通過燒結(jié)或熔化安全地加工,但可以在通過噴嘴擠出進(jìn)行 3D 打印時使用。木材、布料和紙張無法使用這些工藝進(jìn)行 3D 打印。
也可以使用燒結(jié)(在高溫和極高壓力下在模具內(nèi)成型)從金屬粉末中制造固體物品,對于那些熔點非常高的金屬,燒結(jié)是制造物品的唯一可靠方法從這些材料中。
哪些 3D 打印工藝可用于 3D 打印金屬?
如上所述,3D 打印金屬有多種技術(shù)。粉末床融合技術(shù),包括直接金屬激光燒結(jié) (DMLS)、SLM(選擇性激光熔化)和 EBM(電子束熔化),是金屬增材制造中使用更廣泛的技術(shù):
直接金屬激光燒結(jié) (DMLS)
這種常用的方法是利用激光逐層燒結(jié)金屬粉末,形成物體。該過程實際上不會熔化金屬,而是用于原型制作和制造成品零件,包括醫(yī)療設(shè)備和儀器。
選擇性激光熔化 (SLM)
該過程涉及使用激光在惰性氣體環(huán)境中將粉末層內(nèi)需要的材料熔化。這將逐層進(jìn)行,以創(chuàng)建具有與鑄造產(chǎn)生的相似參數(shù)的對象。SLM 通常用于制造鋁和鈦零件,包括用于醫(yī)療、汽車和航空航天工業(yè)的零件。
電子束熔化 (EBM)
這個過程類似于 SLM,不同之處在于使用電子束而不是激光來熔化材料。EBM 被認(rèn)為比 SLM 更快、更精確,通常用于用鈷和鈦制造物品。EBM 被航空航天工業(yè)廣泛用于包括發(fā)動機部件在內(nèi)的項目。
其他技術(shù):
還有其他技術(shù)可以或已經(jīng)用于 3D 打印金屬,盡管這些技術(shù)的使用不如 DMLS、SLM 或 EBM 廣泛:
激光金屬沉積 (LMD)
LMD 用于航空航天、汽車和醫(yī)療行業(yè),通過將加熱的金屬逐層沉積在金屬基材上來制造物體。LMD 允許使用不同的材料來構(gòu)建對象,并且比其他方法更快
選擇性激光燒結(jié) (SLS)
與 DMLS 類似,該工藝也使用激光燒結(jié)粉末材料。它已被用于制造各種材料的物品,包括金屬。然而,現(xiàn)在它主要用于燒結(jié)塑料,如聚酰胺和尼龍
粘合劑噴射
該工藝使用一種特殊的液體來粘合粉末材料,并且比 DMLS、SLM 或 EBM 便宜。此過程提供的精度和強度并不完美,通常需要進(jìn)行后處理。熱等靜壓可用于提高成品的強度和堅固性,但這會增加成本。粘合劑噴射通常用于制造大型和復(fù)雜的原型
金屬注射成型
這種注塑成型和 3D 打印的結(jié)合被廣泛用于制造醫(yī)療和國防等行業(yè)的小型部件。該工藝通過將金屬粉末與熱塑性塑料和蠟粘合劑混合來工作。加熱該混合物直到粘合劑熔化并覆蓋粉末,然后將其制成顆粒。在去除粘合劑材料之前,將這些顆粒加熱并注入空腔以形成物體,通常通過溶劑萃取。然后將零件燒結(jié),蒸發(fā)任何剩余的粘合劑并將物體壓縮成致密的固體。然后可以根據(jù)需要完成對象。
3D金屬打印的優(yōu)缺點是什么?
3D 金屬打印有許多優(yōu)點和缺點,如下所示:
優(yōu)點
- 比傳統(tǒng)制造方法更容易制造形狀復(fù)雜的物品
- 比某些零件的許多傳統(tǒng)制造方法便宜
- 能夠產(chǎn)生精確和高度詳細(xì)的對象
- 由于可以在組裝時包含細(xì)節(jié),因此與更傳統(tǒng)的制造方法相比,它可以節(jié)省時間和金錢
- 可以創(chuàng)建復(fù)雜的形式來創(chuàng)建更輕的物體而不犧牲強度,使 3D 金屬打印成為汽車、航空航天和太空應(yīng)用的理想選擇
- 材料浪費極少
- 可以將復(fù)雜組件的多個零件組合成一個組件,從而減少零件數(shù)量和裝配成本
缺點
- 為傳統(tǒng)制造設(shè)計的零件生產(chǎn)速度緩慢,使得大批量生產(chǎn)僅在成本方面沒有競爭力
- 粉末金屬材料比非粉末金屬(例如鋼坯或棒材)更昂貴
- 金屬 3D 打印機可能很昂貴
- 可能需要對 3D 打印部件進(jìn)行表面處理和后處理
- 提供比專業(yè) CNC 加工更低的精度和公差
- 可能需要熱處理以減少 3D 打印物品的內(nèi)應(yīng)力,或在金屬中實現(xiàn)最大強度
- 3D 金屬零件的設(shè)計可能很復(fù)雜,需要專業(yè) CAD 工程師的服務(wù)
- 零件的尺寸受 3D 打印機的構(gòu)建體積限制
3D金屬打印的目的是什么?
該工藝的優(yōu)缺點提供了對金屬 3D 打印目的的深入了解,表明它非常適合制造相對較小、復(fù)雜的零件,包括原型。它還可以促進(jìn)傳統(tǒng)制造技術(shù)的加工,降低成本并縮短交貨時間。?
通過將 3D 打印的靈活性與金屬的機械性能相結(jié)合,該技術(shù)已在整個行業(yè)中得到應(yīng)用,從帶有冷卻通道的插件到航空航天工業(yè)的輕質(zhì)結(jié)構(gòu),再到用于高要求環(huán)境的復(fù)雜零件。典型用途包括功能齊全的原型制作、生產(chǎn)工具、模具或插件工具、外殼、管道系統(tǒng)、熱交換器和散熱器。?
當(dāng)然,不同的金屬適合打印不同的物體,例如:
- 不銹鋼:?由于卓越的耐腐蝕性,非常適合與腐蝕性液體、水或蒸汽接觸的物體
- 青銅:?泵葉輪和船用螺旋槳、固定裝置和更多裝飾物品,如花瓶
- 黃金:?可用于打印珠寶
- 鎳:?可用于打印渦輪發(fā)動機零件甚至硬幣
- 鋁:?金屬物體的理想選擇,尤其是需要輕量化的地方,例如機身零件
- 鈦:?能夠生產(chǎn)非常堅固、精確的零件,例如醫(yī)療植入物(例如髖關(guān)節(jié))和其他堅固的固定裝置和物體
3D打印金屬貴嗎?
不同的 3D 打印技術(shù)針對不同材料和復(fù)雜性的行業(yè)使用不同的解決方案,這意味著金屬 3D 打印的成本可能會有很大差異。然而,大部分成本來自 3D 打印機,這可能是生產(chǎn)運行總成本的很大一部分,以及勞動力、材料、準(zhǔn)備和后處理。對高質(zhì)量粉末材料的要求也增加了 3D 金屬打印的成本,因為它們比相同數(shù)量的非粉末金屬更昂貴。?
如前所述,打印機價格可能很高,成本可能高達(dá)數(shù)萬英鎊,盡管這些價格與類似尺寸的高質(zhì)量數(shù)控機床相當(dāng)。隨著技術(shù)和市場規(guī)模的提高,預(yù)計3D打印機的價格將會下降。?
除了材料和打印機的成本外,還有要創(chuàng)建的對象的設(shè)計成本。這可能需要購買專業(yè)軟件或聘請具有 3D 打印專業(yè)知識的 CAD 工程師的服務(wù)。當(dāng)然,機器的操作和維護(hù)還有其他人工成本。?
最后,還有與打印部件后處理相關(guān)的成本。這可以包括清潔、熱處理、去除支撐結(jié)構(gòu)和在表面上涂敷涂層。
結(jié)論
使用金屬進(jìn)行 3D 打印或增材制造,可以制造出與普通金屬物體幾乎相同強度的零件。?
雖然它可能很昂貴并且不適合替代傳統(tǒng)制造以大批量生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)物品,但它非常適合制造更小、更復(fù)雜的物品。金屬 3D 打印還有助于減輕航空航天和汽車等行業(yè)中使用的零件的重量。