3D打印金屬件機(jī)械性能研究

1、.3d打印金屬件機(jī)械性能研究3d打印（3d printing），即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。3d打印存在著許多不同的技術(shù)。它們的不同之處在于以可用的材料的方式，并以不同層構(gòu)建創(chuàng)建部件。3d打印常用材料有尼龍玻纖、耐用性尼龍材料、石膏材料、鋁材料、鈦合金、不銹鋼、鍍銀、鍍金、橡膠類材料。目前3d打印出的金屬零件材料致密度低，最高能達(dá)到鑄件的98%，和同類材料強(qiáng)度更高的鍛造零件相比還有較大差距。其力學(xué)性能、表面光潔度等都還不能滿足高精度、高強(qiáng)度零件要求。 由于3d打印技術(shù)是逐層打印成型來(lái)構(gòu)造物體，導(dǎo)致打印

2、出的金屬件在微觀下必然存在各向異性，并且形成層狀復(fù)合、層間界面以及微孔特性。各項(xiàng)異性：圖1 晶粒生長(zhǎng)方向圖2 片層結(jié)構(gòu)導(dǎo)致各向異性層狀復(fù)合：圖3 光學(xué)顯微照片圖4 3d層狀堆砌模型圖5 層狀結(jié)構(gòu)sem照片層間界面：圖6 層間界面及3d層間模型微孔特性圖7 微孔特性從3d打印金屬件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，想要增加其機(jī)械性能，普通3d打印技術(shù)是不可能的。從力學(xué)的角度來(lái)看，構(gòu)件的本質(zhì)不是形狀，而是內(nèi)部應(yīng)力結(jié)構(gòu)，這直接影響結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度。而構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力結(jié)構(gòu)的形成多數(shù)情況下要求一定的外部約束力作用，造成一定的形變后，局部產(chǎn)生應(yīng)力場(chǎng)分布的改變，從而滿足特定的強(qiáng)度需求。3d打印這種一層一層的往上疊，內(nèi)部應(yīng)力

3、結(jié)構(gòu)完全均一，即使形狀造出來(lái)，構(gòu)建強(qiáng)度和剛度是滿足不了要求的。所以想要提高打印件機(jī)械性能只能超越現(xiàn)有技術(shù)。其實(shí)3d打印作為一種將材料薄層逐層疊加成型的數(shù)控加工工藝有著制作超高強(qiáng)度制品的發(fā)展前景。當(dāng)使用納米金屬顆粒作為打印原料時(shí)，可以在較低的溫度下將納米金屬顆粒熔融后由打印頭重復(fù)噴涂積累成型，而在采用將粉末材料鋪設(shè)后再燒結(jié)而重復(fù)積累成型方式時(shí)納米金屬顆粒也可按照所鋪設(shè)的構(gòu)型被充分熔融再凝固，而且打印時(shí)控制所疊加的每一層材料的厚度就可以控制每一層材料熔融后再凝固所形成的晶體的大小，（當(dāng)熔融的金屬層足夠單薄且附著在冷的基材上凝固時(shí)因?yàn)榻禍匮杆龠€可以獲得高強(qiáng)度的非晶態(tài)金屬結(jié)構(gòu)）當(dāng)控制使所疊加的每一層材

4、料的厚度很微小時(shí)就可得到微晶結(jié)構(gòu)制品，使用激光熔融金屬時(shí)，宜采用功率大而作用時(shí)間短的脈沖激光只使被照射部位盡快熔融而避免長(zhǎng)時(shí)間照射使相鄰的已結(jié)晶部位重新熔融造成已完成加工部位的晶體生長(zhǎng)融合到正在加工的部位。且激光束的波長(zhǎng)越短其最小照射光斑直徑就可控制得越小其熔融加工的精度就越精細(xì)，如要熔融比激光照射光斑更小的區(qū)域可使激光束部分射中正在加工和已加工的材料，如果對(duì)材料進(jìn)行有計(jì)劃地疊加、熔融（打印時(shí)可進(jìn)行逐行、逐列、隔行、隔列、交叉行列等任意順序打?。┖涂販啬蹋闪硗庖孕」β使馐o助照射而控制降溫方向）還可使結(jié)晶的方向被有計(jì)劃地定向控制可得到按照計(jì)劃意圖排列的晶體結(jié)構(gòu)。顯然當(dāng)金屬制品具有按設(shè)計(jì)意圖

5、定向排列結(jié)晶的微晶結(jié)構(gòu)時(shí)其強(qiáng)度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)鑄造、鍛造工藝所能得到的強(qiáng)度。（可惜每層疊加材料的厚度越微小則打印速度越慢，滿足了強(qiáng)度就難以滿足制作速度）使用其他非金屬打印原料時(shí)如果材料顆粒屬于納米粒度而且材料每層疊加的厚度足夠微小，對(duì)熔融和凝固過(guò)程也精確地控制，則同樣可以得到高強(qiáng)度微晶結(jié)構(gòu)（當(dāng)熔融層足夠單薄且附著在冷的基材上凝固時(shí)因?yàn)榻禍匮杆龠€可以得到高強(qiáng)度的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)）。至于打印復(fù)合材料的制品時(shí)，因?yàn)?d打印機(jī)可對(duì)不同的材料的交叉疊加及積累進(jìn)行精致的數(shù)字化控制，使得各種不同材料可按照設(shè)計(jì)意圖精確地、復(fù)雜地、充分地進(jìn)行混合配置成型，所以其制品強(qiáng)度相較于傳統(tǒng)加工工藝可有著明顯優(yōu)勢(shì)。所以即使現(xiàn)在有些 3d 打印機(jī)存在著所打印制品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，但那只是受制于打印原料顆粒不夠小、對(duì)疊加層的厚度控制不夠細(xì)微、對(duì)熔融和凝固過(guò)程的控制不夠精確等原因，而 3d 打印技術(shù)隨著其加工精度不斷提高是適于制作高強(qiáng)度制品的。參考文獻(xiàn)1羅軍. 中國(guó)3d打印的未來(lái)m. 東方出版社, 2014, 06. 2盧秉恒，李滌塵. 增材制造(3d打印)技術(shù)發(fā)展j.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2013 3gebler m, uiterkamp a j m s, visser c. a global s