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曲径通幽,双金属的几种增材制造技术

发布时间:2023-03-24 12:46:56 人气:315

双金属材料是属于复合材料,主要是金属半固态成形技术。近期产业化的重点是:铝-钢、钛-钢、铜-钢、铝-钛、铜-铝等双金属材料。由于异质复合材料的性能功能化、较低的成本及应用范围广泛,提高了传统材料的发展潜力。

传统制造领域,双金属复合界面的结合方式多采用机械结合型复合或冶金结合型。增材制造相比于传统加工工艺在双金属的加工方面具有着突出的优势。本期,3D科学谷为谷友总结一下几种常见的双金属增材制造技术。

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-金属丝熔融

设备举例:Sciaky


Sciaky是电子束熔融增材制造(EBAM)技术领域的设备厂商,Sciaky提供一个双进料系统,可以同时使用两种不同的金属材料创建对象。因此,使用该技术打印出来的部件往往更加致密、耐用,这种电子束定向能量沉积、逐层增加的方法创建出来的任何金属部件都近乎纯净,并且不需要任何类型的打印后热应用处理。该技术也可以用于修复受损的部件或者增加模块化部件,并且不会产生传统焊接或金属连接技术中常见的接缝或者其它弱点。


Sciaky的电子束熔融增材制造(EBAM)技术主要是由金属丝作为打印材料,并使用一种功率强大的电子束在真空环境中通过高达1000℃的高温来融化打印金属零部件。这种电子束枪的金属沉积速率从一小时几磅金属材料,到一小时20磅不等。电子束定向能量沉积、逐层增加的方法创建出来的任何金属部件都近乎纯净,并且不需要任何类型的打印后热应用处理。该技术也可以用于修复受损的部件或者增加模块化部件,并且不会产生传统焊接或金属连接技术中常见的接缝或者其它弱点。


在熔丝金属增材制造设备领域,2016年华中科技大学数字装备与技术国家重点实验室张海鸥教授主导研发出金属3D打印新技术“智能微铸锻”,成功3D打印出具有锻件性能的高端金属零件。国际上,2016年,Wolf Robotics也推出了用于替代铸造和锻造的多进给、多材料的大型增材制造设备,其原材料也是金属丝。而在产业化领域,空客的Premium Aerotec工厂正在通过Norsk Titanium的快速等离子沉积™技术进行A350 XWB飞机上的钛合金零件的生产。此外,库卡还为英国核电站承建了大型核电站零件制造系统。


而在应用开发方面,根据3D科学谷的市场研究,我国的攀钢也在双金属的电子束熔丝成型增材制造方面进行了积极的探索研究。根据3D科学谷的了解,攀枝花钢铁研究院利用分层处理软件规划金属A和金属B打印件的层厚尺寸以及沉积层的宽度尺寸,按先打印里层、后打印外层的先后顺序进行路径规划,探索出两种不同材料金属成型的方法,效率高,冶金质量好。 

 

-混合加工(送粉+机加工)

设备举例:德马吉森精机

 

DMGMORI的Lasertec 65 3D混合增材制造设备配备了两个粉末进料器,可以在激光沉积焊接过程中有针对性地控制从一种材料到另一种材料的切换。根据DMG MORI的说法,这可以用来制造不同材料特性之间平滑过渡的分级材料。材料的韧性和硬度可以在过度的过程中进行调节,并进行最佳的分配以适合个别应用的特定要求。



滚动轴承部件-舍弗勒

舍弗勒(Schaeffler)和德马吉森精机(DMG MORI)合作开发增材制造工艺,以生产梯度材料制成的滚动轴承零件。该项目采用的是DMG MORI的Lasertec 65 3D混合增材制造设备,该设备将激光沉积焊接与五轴铣削相结合。

舍弗勒和DMG MORI合作测试合适的材料,目的是利用激光沉积焊接推进滚动轴承部件的小批量加工制造的开发。 舍弗勒关注的重点是实现优化产品,为最终客户提供附加价值。

舍弗勒多年来一直积极参与电动车赛车计划,并在其“明日汽车”战略的框架内进一步改进电驱动。通过Lasertec 65 3D混合增材制造设备上使用这种材料渐变将创造激动人心的发展机遇。例如,磁性和非磁性材料可以通过渐变来组合,并且根据需要调整组件的性能。

发动机部件-NASA

2017年初,美国宇航局NASA成功测试了由两种不同金属合金制成的3D打印火箭发动机点火器。测试是在阿拉巴马州的马歇尔太空飞行中心完成的,这揭示了3D打印的另一大应用潜力:解决钎焊加工所面临的挑战。

该零部件由铜合金和Inconel合金制成,通过DMG MORI(德马吉森精机)开发的混合3D打印工艺生产出来,点火器部件的高度为10英寸、宽为7英寸。

传统上,关键的发动机部件是使用钎焊的复杂且费力的工艺制成的,钎焊是一种缓慢而昂贵的工艺,并且需要体力劳动和各种不同的步骤来配合完成。通过3D打印将两种金属材料打印成一个单一部件,NASA开辟了一种更高效、更经济有效的制造火箭发动机点火器的方法。马歇尔太空飞行中心的工程师团队对3D打印的点火器进行了完整的测试。测试过程包括30多个低压热火测试。经过大量的热火试验,阿拉巴马大学的研究人员得到了零件解构数据用于分析。最后,他们发现,零件的两种合金有着很好的扩散分布,形成了很高的接头强度。

 

-冷喷

设备举例:Plasma Giken

 

冷喷技术被用在制造领域并不罕见,3D科学谷曾经介绍过GE的冷喷技术以及澳大利亚Titomic公司的冷喷技术。此外还包括Plasma Giken公司以及Inovati公司。美国的Inovati公司是全球较早而且颇为成功的一家低压冷喷涂设备制造商。总部位于美国的加州。

法兰

在双金属零件的制造方面,Plasma Giken公司通过冷喷涂设备将铜材料冷喷到普通的不锈钢材料基底上,再通过CNC机床加工来获得两种不同材料结合的法兰零件。



冷喷涂技术于热喷涂方法不同,涂层气孔率很低,基体材料和涂层的热负荷很小,材料氧化少,消除了涂层中结晶化不均匀的现象。

除了不需要焊接或机加工就能制造全新零件以外,冷喷技术令人兴奋之处在于,它能够将修复材料与零件融为一体,完美恢复零件原有的功能和属性。这样就能有效延长零件使用寿命几年,甚至几十年,最终为客户创造了更大的价值。

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