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金屬3D列印:製程介紹和材料特性

06月20日 2024
Metal 3D printing 金屬3D列印

在過去的20多年裡,3D列印技術在全球範圍內迅速發展,並且被廣泛應用於工業生產中以製造金屬零件。金屬製造領域的3D列印技術進展尤為顯著。隨著金屬材料在3D列印過程中越來越普遍使用,不同列印工藝有何特點?選擇適當材料時應考慮哪些因素?本文將全面解答這些問題。

金屬3D列印:源於粉末冶金

金屬3D列印技術源於粉末冶金技術(MIM),材料也由MIM粉末發展而來。目前市場上興起的製程包括金屬擠絲製程、黏結劑噴射成型技術、鐳射粉末熔融技術共3種。以下是每種技術的特點介紹:

金屬熔融沉積成型技術(FDM)

FDM通過熔融金屬材料並逐層構建3D模型。該過程與塑膠FDM製程大致相似,但有三個主要差異:底板的溫度、成型艙體、噴頭。這些因素決定了金屬絲是否能夠成形。

FDM列印過程包括:

– 擠絲:根據切片模型擠出金屬絲。

– 除粘:從金屬粉末混合物中去除粘結材料(樹脂和蠟),通常通過加熱或化學方法完成,過程後僅留下金屬顆粒。

– 燒結:在除粘後,產品經過高溫處理並移除支撐結構。

然而,金屬FDM的效率和精度較低,導致列印件表面上有明顯的層疊痕跡。因此,在3D列印代工中較少使用。

黏結劑噴射技術(BJT)

在黏結劑噴射中,使用刮到將金屬粉末鋪平後,加入黏結劑將金屬粉末固定,接著使用噴頭加熱並固化黏結劑,最後進行脫酯與燒結(類似於MIM)。然而,BJT的高設備和耗材成本使得商業化生產成本成為一個重要考慮因素。

激光粉末床熔融技術(LB-PBF)

LB-PBF利用高功率光纖激光器熔融金屬粉末進行燒結,通過滾輪或刮刀平整粉末。該技術的難點在於實現在完全燒結的同時控制溫度、光束點和聚焦鏡頭等因素。此技術在全球的工業金屬3D列印代工中非常廣泛的被運用。

 

影響金屬3D列印過程的三個關鍵因素:

  • 材料選擇:

– BJT:不銹鋼是黏結劑噴射技術中主要使用的材料。然而,大規模生產時,設備穩定性和收縮是常見的困難點。

– FDM:常用材料包括不銹鋼、鋁合金和鈦合金。與其他技術相比,FDM在密度方面Z軸的粘結強度較低。FDM無法實現大規模生產或原型測試,目前主要用於學術研究,。

– LB-PBF:LB-PBF技術具有最多樣化的材料選擇,幾乎所有可焊接的金屬都可使用。目前可用材料包括鈦合金、鋁合金、不銹鋼、鎳基合金和工具鋼。主要困難點是如何將金屬轉化為粉末形式並在燒結過程中保持其一致性和完整性。

  • 材料緻密度:

目前,三種技術的材料緻密度排名如下:

– LB-PBF:99.8%

– 黏結劑噴射成型:96%

– 金屬熔融沉積成型:92%

  • 表面質量:

表面粗糙度是影響金屬列印生產質量的關鍵因素。例如,LB-PBF後常對零件進行噴珠處理。各製程的表面粗糙度大約如下:

– LB-PBF:5-8 (Ra)

– FDM:7-18 (Ra)

– BJT:5-8.8 (Ra)

此圖表展示了通過觸覺檢測在燒結後測量表面粗糙度的數據分析。通過測量ZX平面和XY平面的樣品,並對其平均值進行技術比較。然而,對於金屬FDM技術,表面粗糙度主要取決於列印方向。

 

艾維的3D列印金屬材料特性

在艾維,我們致力於推動技術和材料創新。我們的塑膠和金屬3D列印材料系列包括多種高性能選項,如IN718、316L、17-4PH、MS1、IN625、TC4、AISi10Mg,用途於航空、汽車、醫療、模具、牙科、定制消費品和學術領域等實際應用。

我們的材料特點

– 抗拉強度:我們的金屬3D列印材料在承受強大拉力時能夠展現出卓越的抗壓能力,確保每個列印部件堅固耐用。

– 密度:輕便且堅固,在不增加重量的情況下提供最大的強度和耐久性。

– 屈服強度:即使在極端壓力下,我們的材料仍能保持其形狀和功能。

 

材料數據表(粉末型態)

Alsi10Mg  Aisi7Mg Ti6Al4V 304L IN718
密度(g/cm3) 

ISO 3369

≥2.65 ≥2.65 ≥4.40 ≥7.91 ≥8.2
抗拉強度(MPa)

 ISO 6892-1

≥300 ≥270 ≥950 N/A ≥1060
屈服強度(MPa)

ISO 6892-1

≥180 ≥170 ≥850 N/A ≥780
斷裂伸長率(%)

ISO 6892-1

≥7 ≥10 ≥10 N/A ≥33
硬度HV/HRC ≥85 HV5/15 ≥80 HV5/15 ≥290 HV5/15 N/A N/A

 

316L 17-4PH 18Ni300 420DS
密度(g/cm3) 

ISO 3369

≥7.91 ≥7.70 ≥8.00 ≥7.70
抗拉強度(MPa)

 ISO 6892-1

≥620 ≥1200 ≥1800 ≥1700
屈服強度(MPa)

ISO 6892-1

≥410 ≥1130 ≥1700 ≥700
斷裂伸長率(%)

ISO 6892-1

≥42 ≥48 ≥6 ≥5
硬度 HV/HRC ≥178 HV5/15 ≥42 HRC ≥48 HRC ≥48 HRC

 

金屬3D列印的產業應用

– 航空與汽車:金屬3D列印技術為這些行業提供更輕、更強、更靈活的零件製造。

– 醫療與牙科:提供高精度、高生物兼容性的材料,可用於醫療器械、手術和牙科植入物及定制牙科產品。

– 模具與消費品:金屬3D列印技術能夠更快速地生產各種複雜的模具和個性化消費品。

– 珠寶與裝飾品:金屬3D列印提供了創造個性化作品的靈活性,廣泛應用於diy產品製造。此技術能減少材料浪費,提供更廣泛的材料選擇,並提升成本效益。

 

艾維致力於提供全面的增材製造解決方案,幫助客戶在生產高端零部件、小批量定制產品、原型製作、注塑模具、醫療設備等應用中提升生產效率和製造品質。閱讀本文後,我們希望您對各種3D列印技術的特點有更深入的了解,並能根據您的項目需求選擇最適合的製程。點此了解艾維提供的金屬3D列印服務和相關材料。若您有任何問題或項目需求,歡迎隨時聯繫我們,艾維隨時準備幫助您探索3D列印技術的無限可能性!

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