Kan flere metalmaterialer bruges til udskrivning af den samme industrielle komponent?

一, teknisk princip: Den grundlæggende idé bag at vælge materialer og kontrollere grænsefladen
Hovedmålet med multi - metal 3D -udskrivning er at få to eller flere metaller til at smelte sammen metallurgisk. Der er to vigtigste måder at gøre dette på: pulverbedsmeltning (SLM/L - PBF) og rettet energiaflejring (DED). For eksempel skal SLM -teknologi gå ud over tre store teknologiske vejspærringer for at udskrive med flere metaller:
Kontrol af materialekompatibilitet
Vælg en metalkombination, der har en smeltepunktsforskel på mindre end 200 grad og en termisk ekspansionskoefficientforskel på mindre end 10%. NASA bruger en blanding af grcop - 42 kobberlegering (smeltepunkt 1083 grad) og HR - 1 nikkelbaseret højtemperaturlegering (smeltepunkt 1390 grad) for at skabe et metallurgisk binding mellem de to materialer i et 0,3 mm-overgangslag. De gør dette ved at kontrollere laserenergitætheden (120-150 j/mm ³) og scanningshastighed (800-1200 mm/s). Trækstyrken ved grænsefladen er 420 MPa, hvilket er 60% højere end for typiske lodningsmetoder.
Renovering af metoden til spredning af pulver
Den gamle måde at distribuere pulver med kun et materiale fungerer ikke for multi - metalskiftende afsætning. Fraunhofer IGCV -laboratoriet skabte et elektrostatisk adsorptionspulver spredningsindretning, der selektivt kan adsorbere forskellige metalpulvere ved at levere et -5000V elektrostatisk felt til konstruktionsplatformen. Systemet spreder CW106C kobberlegeringspulver (det indre lag) og 1.2709 stålpulver (det ydre lag) meget nøjagtigt, mens kobberståljakken skyder. Pulvergenvindingshastigheden er 98%, hvilket er tre gange bedre end standard mekanisk skrabepulverspredning.
Dynamisk styring af procesparametre
For forskellige materielle områder skal multi - metalprinting ændre laserkraften, scanningsteknikken og andre indstillinger i realtid. Meltios 3E -metalaflejringsteknologi bruger smarte sensorer til at holde øje med temperaturen på den smeltede pool i realtid (med en fejl på ± 5 grader). Det justerer også automatisk deponeringsparametrene for titaniumlegering (laserkraft på 400W) og aluminiumslegering (laserkraft på 250W). Denne metode gør luftfartsmotorbeslag af titaniumlegering og aluminiumslegering. Titaniumlegeringsområdet har en hårdhed på HRC 38, og aluminiumslegeringsområdet har en forlængelsesrate på 18%, hvilket er 25% højere end trykingsydelsen for enkeltmaterialer.
2, almindelig brug: Flytter fra laboratoriet til fabrikspraksisen
1. Aerospace: Gør forbrændingskammeret lettere og bedre til at håndtere varme
Forbrændingskammeret på en raketmotor skal håndtere gasskylning ved 3000 grader og flydende iltkøling ved - 180 grad. For at forbinde kobberlegeringslet med nikkel - baseret legeringsskal i traditionel fremstilling bruges eksplosiv svejsning. Denne procedure kan tage op til seks måneder. Den tyske Safran -gruppe brugte SLM -proceduren til at fremstille et kobber - stålbimetallisk forbrændingskammer. Ved at bruge multimetal 3D-udskrivningsteknologi var de i stand til at skære fremstillingstiden i halvdelen og gøre kammeret 40% lettere. Den vigtigste innovation er brugen af ​​funktionelt klassificeret materialedesign. Der er et 0,5 mm tykt Nicraly-overgangslag mellem kobberlegering (GRCOP-84) og stål (316L). Dette lag ændrer glat den termiske ekspansionskoefficient fra 16,5 × 10 ⁻⁶/ grad til 12,8 × 10 ⁻⁶/ grad, der slipper af med interface -stresskoncentration.
2. Energiudstyr: Fremstillingsrevolutionen af ​​konform kølekanaler
I produktionen af ​​injektionsforme er traditionelle kølevandskanaler for det meste lineære på grund af behandlingsgrænser. Dette får temperaturfelterne i formen til at være ujævne (med afvigelser på op til 30 grader), hvilket skader kvaliteten af ​​produktstøbningen. Aerosints bimetalliske SLM -teknik udskriver kobberlegering (CUCR1ZR) kølekanaler inde i formenindsatser, hvilket gør afkøling tre gange mere effektive. Denne metode forkorter den tid, det tager at køle ned bilkofangerforme fra 45 sekunder til 18 sekunder, skærer energiforbruget til enkelt - stykke produktion med 60%og får formene til at vare mere end 2 millioner gange.
3. biomedicinsk: Tilpasning af ydeevne af skræddersyede implantater
Kunstige led lavet af titaniumlegering har brug for lang tid til at integrere med knogler (6 til 12 måneder). Et team fra Northwestern Polytechnical University har skabt en titanium tantalbimetallisk 3D -udskrivningsteknologi, der har tredoblet styrken af ​​bindingen mellem implantater og knoglevæv. Dette blev gjort ved at deponere tantal (TA) porøse strukturer (porøsitet 65%, porestørrelse 500 μm) på overfladen af ​​titanlegering (Ti6al4V). Klinisk bevis tyder på, at hofteledets implantat ved anvendelse af denne teknik opnår en knogleintegrationshastighed på 92% tre måneder efter - kirurgi, hvilket reducerer rehabiliteringsvarigheden med 50% i sammenligning med konventionelle titanlegeringsimplantater.
3, problemer med teknologi og tendenser for fremtiden
Selvom multi - metal 3D -udskrivning er flyttet fra laboratoriet til den virkelige verden, er der stadig tre store problemer, der skal løses, før det kan bruges i bred skala:
Pålidelighed af materielle grænseflader
Forskellen i, hvordan metaller ekspanderer, når de opvarmes, kan let få revner til at dannes ved grænsefladen. Ved at tilføje nano - størrelse NBC -partikler (50–100 nm) ved stålet - kobbergrænseflade, var MIT -forskerteamet i stand til at forbedre grænsefladebindingsstyrken fra 280 MPa til 410 MPa og skære revnepropagationshastigheden med 80%.
Udstyr og effektivitet af udstyret
Multi - Metal SLM -udstyr koster 3-5 gange mere end enkelt - materialeudstyr, og pulver spredningshastighed er kun 60% af det for enkelt - materialeudstyr. Siemens 'parallelle pulverspredningsteknologi, der bruger to elektrostatiske adsorptionshoveder, der arbejder sammen, har fremskyndet pulverspredningsprocessen til 1200 mm/s og reduceret omkostningerne ved udskrivning af et stykke med 45%.
Intet system til standarder
Der er ingen global kvalitetsstandard for multi - metal 3D -udskrivning på dette tidspunkt. Udkastet til ISO/ASTM 52912 -standarden antyder indikatorer, så "materialet overgangszonebredde er mindre end eller lig med 0,5 mm" og "interface -bindingsstyrke større end eller lig med 80% af matrixmaterialet." Det er planlagt at blive officielt frigivet i 2026.
I de næste fem år bevæger multi - metal 3D -udskrivning i retning af "fire moderniseringer":
Et system med en række forskellige materialer: At lave nye kombinationer af metaller, der er lette og stærke, inklusive titaniummagnesium og aluminiumsskandium
Smart processtyring: Brug af digital tvillingteknologi til at forbedre udskrivningsprocessen i realtid
Integrering af udstyrsmoduler: fremstilling af sammensatte dele, der kombinerer additivfremstilling, varmebehandling og bearbejdning
Udvidelse af antallet af steder, hvor det kan bruges: at få det til at arbejde i bred skala i områder som atomkraft og dyb - havudstyr