基於燒結工藝的金屬增材製造工作原理

2021-02-15 3D列印技術參考

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傳統燒結工藝依託現代製造環境產生，是當今重要的製造手段，在工業應用中有著比增材製造更長的歷史。

早在20世紀20年代早期，人們就使用陶瓷粉末和聚合物粘合劑開創了第一種陶瓷注射成型工藝。20世紀50年代，金屬粉末開始被用於注射成型。然而，與鑄造技術相比，採用注射成型（MIM）的燒結工藝成本更高、過程更加複雜。到1970年，人們的經驗不斷增長，隨即發現，MIM技術雖比鑄造昂貴，但在高複雜性零件製造方面極為有效。新型粘結劑和脫脂技術的升級使工藝更加穩定，金屬部件的密度更高，表現出更佳的材料特性。MIM技術製造的零件尺寸通常在5-50毫米之間，在醫療器械、珠寶、國防工業以及電子領域的複雜組件製造方面發揮重要作用。如今，全球金屬注射成型市場價值超過160億人民幣，複合年增長率在10％至20％之間。

MIM技術成型原理

MIM工藝分為三個步驟：模壓成型、脫脂和燒結。基於燒結工藝的金屬3D列印技術需要用到MIM技術的第二和第三步，毛坯件的成型採用了增材製造原理，具體的成型方法也有細微差別，比較有名的有Exone、Desktop Metal以及HP。

 

金屬粘結劑噴射成型原理

粘結劑噴射技術（3DP）最早由麻省理工學院開發，最初設計用於鑄造砂成型，從那時起，Exon即開發了第一種金屬粘結劑噴射成型系統。近年，Digital Metal、Desktop Metal以及HP相繼推出類似系統，但技術原理均來自於麻省理工學院的原始專利，該專利涉及如何在零件局部範圍內採用粘結劑成型陶瓷、砂及金屬粉末。與這種方法不同的是，3DEO將粘結劑噴射在整個粉床上，每層通過CNC加工來實現更精確的幾何輪廓。

金屬FDM成型原理

FDM類型的金屬印表機採用金屬線材、MIM粉末以及棒材作為成型材料。這種成型材料採用金屬粉末和粘合劑混合而成，雖然機器原理與高分子材料FDM系統非常相似，但關鍵的區別在於列印頭，擠出噴嘴具有施加金屬材料的特定屬性。 當前，Markforged、Desktop Metal、EVO-Tech以及AIM 3D，可以提供金屬FDM列印系統。

 

基於燒結工藝的金屬3D列印產業鏈分布

上述每個公司的商業模式各不相同，涉及到了垂直價值鏈的不同方面。 Markforged和Desktop Metal提供專有的材料和脫脂/燒結解決方案以及3D列印系統；EVO-Tech、AIM 3D、ExOne以及Digital Metal使用市場上現有供應商（如巴斯夫）提供的原料。此外，燒結設備均使用當前常見的燒結工藝設備。

下期預告：基於燒結和熔化工藝的金屬3D列印成本結構對比

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  • 南洋理工頂尖論文：增材製造316L不鏽鋼的疲勞性能
    此外，文章還從微觀結構出發，解釋了這樣的實驗現象，並討論了本結果對設計高性能增材製造合金的啟發。 金屬部件的增材製造（AM）可以使用多種不同的工藝技術來實現，這些技術使用粉末、金屬絲或板材作為原材料。以金屬粉末為原料的增材製造工藝為選區雷射熔化（SLM），電子束熔化（EBM）和粘合劑噴射列印（BJP）。這些都稱為粉床工藝。SLM和EBM技術分別使用雷射束和電子束熔化粉末，使用這兩種技術製造的不同合金部件的微觀結構和力學性能是研究中報導最廣泛的。相反，對BJP工藝的探索相對較少。使用該工藝生產的金屬零件，其結構-性能相關性還沒有獲得廣泛關注。
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    我的母校北京航空航天大學材料學院教授、大型金屬構件增材製造國家工程實驗室主任、國防科技工業雷射增材製造技術研究應用中心主任。世界——「物質世界」與「精神世界」雙重含義是也！前者指王華明主攻的專業方向：大型金屬構件雷射成形增材製造，後者指王華明及其團隊的奮鬥精神與情懷。
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    選擇性雷射燒結（SLS）是當今使用最廣泛的增材製造工藝之一，它是一種利用雷射將粉末材料加熱到微米級的顆粒融合在一起形成固體的工藝