當(dāng)代馬良的神筆：金屬3D打印技術(shù)

神筆馬良的故事大家小時候應(yīng)該都看過吧，也大概都會想，如果自己能夠擁有這樣一支神筆，會畫些什么……漸漸地長大以后，意識到畫一幅畫能變成實(shí)物，只不過是個美麗的神話。沒想到如今，3D打印技術(shù)的日漸成熟竟讓這個異想天開的想法有成為現(xiàn)實(shí)的可能。神話中，馬良的畫筆一揮，要啥就有啥，可終究只是神話。但3D打印技術(shù)也有異曲同工之妙，采用3D打印技術(shù)也能做出“立體的畫”，而這幅畫的品質(zhì)則取決于其所使用的粉體原料。
  采用金屬粉體作為原料的金屬3D打印是3D打印技術(shù)體系中的一大重要分支，可以說是先進(jìn)制造發(fā)展的一個重要方向。想必很多人都好奇，金屬3D打印是如何實(shí)現(xiàn)的，有什么優(yōu)勢？在不同領(lǐng)域有怎樣的運(yùn)用？其對原料粉體又有怎樣的要求？
本篇文章，小編將給大家一一分說！
  金屬3D打印是如何實(shí)現(xiàn)的？
  金屬3D打印技術(shù)就是用逐層堆積金屬粉體材料的方式，獲得立體的實(shí)物。首先，通過掃描儀或電腦制圖軟件這支“神筆”繪制出所打印物體的三維數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D打印機(jī)，用專用軟件進(jìn)行分層處理，每一層形成二維圖形數(shù)據(jù)，然后專用軟件根據(jù)每一層的二維圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行線掃描或點(diǎn)打印路徑規(guī)劃和自動編程，形成打印機(jī)識別的數(shù)控G碼程序，然后打印機(jī)啟動這些程序，進(jìn)行逐點(diǎn)逐線逐面打印，直到完成實(shí)物的成型?；舅悸肪褪窍葘⑻摂M數(shù)據(jù)離散化處理，然后將離散數(shù)據(jù)用打印機(jī)變成實(shí)體，技術(shù)路徑分解描述如下：
  3D體數(shù)據(jù)--2D面數(shù)據(jù)--1D線數(shù)據(jù)--0D點(diǎn)數(shù)據(jù)--G代碼--打印頭掃描--0D點(diǎn)成型--1D線成
  相比傳統(tǒng)制造工藝，3D打印具有很多優(yōu)勢，包括：材料總體利用率高；無需開模，制造工序少，周期短；可制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件，如內(nèi)部隨形流道；根據(jù)力學(xué)性能要求自由設(shè)計(jì)，不用考慮制造工藝等。
  金屬3D打印技術(shù)有何運(yùn)用？
  目前，金屬3D打印如今已經(jīng)成為行業(yè)增速名，并且在日常生活中的各個領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用，主要應(yīng)用于工業(yè)、航空航天、汽車、醫(yī)療以及珠寶領(lǐng)域，用于這些領(lǐng)域共同特點(diǎn)就是個性化、小批量的快速制造。相對來說，醫(yī)療行業(yè)3D打印的應(yīng)用發(fā)展速度較快，而其他領(lǐng)域發(fā)展較緩慢，主要原因是醫(yī)療領(lǐng)域充分利用了3D打印個性化制造的特點(diǎn)，對3D打印產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度和效率等要求較低，其他領(lǐng)域都對打印零部件的內(nèi)部質(zhì)量、機(jī)械強(qiáng)度、成型速度、配合精度均提出高要求。

3D打印鈷鉻合金牙齒托
1.工業(yè)領(lǐng)域
  工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)中，無論是原型制造還是模型生產(chǎn)幾乎都會使用金屬3D打印技術(shù)，一些大部件的零部件也會使用3D打印機(jī)來生產(chǎn)，再進(jìn)行組裝。相比傳統(tǒng)制造工藝，3D打印技術(shù)能夠在降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)時間的同時達(dá)到更大的生產(chǎn)量。工程機(jī)械、模具等零部件一般使用鐵基材料、銅及銅合金材料。
2.航空航天領(lǐng)域
  金屬3D打印零件已經(jīng)成為航空和航空航天領(lǐng)域的關(guān)鍵。世界上的諸多大國都已經(jīng)開始運(yùn)用金屬3D打印技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)國防、航天等領(lǐng)域的發(fā)展。GE公司曾在意大利建造的世界上個3D打印廠就負(fù)責(zé)為飛躍噴氣發(fā)動機(jī)制造零部件，這足以證明了金屬3D打印的能力。航空航天用3D打印零部件多采用鎳基、鈦及鈦合金、鋁合金、銅及銅合金材料。
3.汽車領(lǐng)域

  金屬3D打印在汽車行業(yè)的應(yīng)用時間不算太長，但是潛力巨大、發(fā)展迅速。目前已經(jīng)有寶馬、奧迪等知名汽車制造商在認(rèn)真研究如何使用金屬3D打印技術(shù)來改革生產(chǎn)方式。未來金屬3D打印制造技術(shù)可以應(yīng)用到汽車外圍設(shè)備、引擎部分、冷卻系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、傳動軸和底盤制造中，多使用鋁合金材料制造。
4.醫(yī)療領(lǐng)域

金屬3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用可以說非常普遍的了，其中特別是牙科、骨科。醫(yī)藥領(lǐng)域打印使用3D技術(shù)大的好處自然是可定制性，醫(yī)生可以根據(jù)病人的具體情況進(jìn)行植入物的設(shè)計(jì)。這樣一來，病人的治療過程會減少痛苦，術(shù)后也少了很多麻煩。且其具有高強(qiáng)度、良好的韌性及抗彎曲疲勞強(qiáng)度、優(yōu)異的加工性能等，是其他醫(yī)用材料無法代替的。醫(yī)療領(lǐng)域多采用鈦及鈦合金材料、鈷鉻合金材料。

第四軍醫(yī)大學(xué)西京骨科醫(yī)院采用金屬3D打印技術(shù)制備出與患者鎖骨和肩胛骨完全一致的鈦合金假體，并成功植入骨腫瘤患者體內(nèi)
5.珠寶領(lǐng)域
  目前，許多珠寶制造商正在從樹脂3D打印和蠟?zāi)Ｖ圃煜蚪饘?D打印轉(zhuǎn)型。隨著人們生活水平的不斷提升，對于珠寶首飾的要求也更高。人們不再喜歡市場上平平無奇的首飾，而是希望擁有獨(dú)一無二的定制首飾。因此，脫離模具實(shí)現(xiàn)定制化將是珠寶產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展趨勢，而這其中，金屬3D打印則將扮演著非常重要的角色，在珠寶行業(yè)大多使用貴金屬材料。

金屬3D打印珠寶：蒲凱倫《宮·樂》
  金屬3D打印對原料粉體有何要求？
  金屬3D打印工藝的關(guān)鍵原材料即是金屬粉體，故其制品的品質(zhì)很大程度上取決于金屬粉體原料的選擇。其對于金屬粉體的要求主要在于以下幾個方面：
1.原料粉體純度
粉體原料中主要含有的金屬元素有Fe、Ti、Ni、Al、Cu、Co、Cr以及貴金屬Ag、Au等。除了金屬元素之外也或多或少會含有雜質(zhì)，雜質(zhì)成分有還原鐵中的Si、Mn、C、S、P、O等，此外還有粉體表面吸附的水及其他氣體等。
在3D打印制品成型過程中，粉體中若存在的雜質(zhì)與基體發(fā)生反應(yīng)，則會改變基體性質(zhì)，影響制品品質(zhì)。雜質(zhì)也會使粉體熔化不均，易造成制件的內(nèi)部缺陷。粉末具有大的比表面積，當(dāng)粉體含氧量較高時，金屬粉體不僅易氧化形成氧化膜，還會導(dǎo)致球化現(xiàn)象，影響制件的致密度及品質(zhì)。尤其是在航空航天等特殊應(yīng)用領(lǐng)域，客戶對此指標(biāo)的要求更為嚴(yán)格。
因此，需要嚴(yán)格控制原料粉體的純凈度以保證制品的品質(zhì)，3D打印用金屬粉體需要采用純度較高的金屬粉體原料。

2.粉體顆粒形狀
  常見的顆粒的形狀有球形、近球形、片狀、針狀及其他不規(guī)則形狀等。不規(guī)則的顆粒具有更大的表面積，有利于增加燒結(jié)驅(qū)動。但球形度高的粉體顆粒流動性好，送粉鋪粉均勻，有利于提升制件的致密度及均勻度。一般而言，球形度越高，粉末顆粒的流動性也越好。3D打印金屬粉末球形度在98%以上，則打印時鋪粉及送粉更容易進(jìn)行。
3.粉體粒度及粒度分布
  粉體是通過直接吸收激光或電子束掃描時的能量而熔化燒結(jié)，粒子小則表面積大，直接吸收能量多，更易升溫，越有利于燒結(jié)。此外，粉體粒度小，粒子之間間隙小，松裝密度高，成形后零件致密度高，因此有利于提高產(chǎn)品的強(qiáng)度和表面質(zhì)量。但粉體粒度過小時，粉體易發(fā)生粘附團(tuán)聚，導(dǎo)致粉體流動性下降，影響粉料運(yùn)輸及鋪粉均勻。
  通常，金屬3D打印使用的粉末粒度范圍是15～53μm（細(xì)粉）、53～105μm（粗粉），部分場合下可放寬至105～150μm（粗粉）。這是因?yàn)椴煌芰吭吹慕饘俅蛴C(jī)對粉末粒度要求不同。細(xì)粉、粗粉應(yīng)該以一定配比混合，選擇恰當(dāng)?shù)牧６扰c粒度分布以達(dá)到預(yù)期的成形效果。
金屬原料粉體SEM圖片
4.粉體松裝密度與振實(shí)密度
  松裝密度是指粉末自然堆積時的密度，振實(shí)密度是粉末經(jīng)過振動后的密度。一般情況下，粉末粒度越粗，球形度越好、松裝密度就越大，粗細(xì)搭配的粉末能夠獲得更高的松裝密度和更低的孔隙率，成形后的零件致密度更高、成形質(zhì)量更好。
5.粉體流動性
  粉體的流動性直接影響鋪粉的均勻性或送粉的穩(wěn)定性。粉末流動性太差，易造成粉層厚度不均，進(jìn)而使掃描區(qū)域內(nèi)的金屬熔化量不均，導(dǎo)致制件內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均，影響成形質(zhì)量；而高流動性的粉末易于流化，沉積均勻，粉末利用率高，有利于提高3D打印成形件的尺寸精度和表面均勻致密化。
6.循環(huán)性能
  3D打印過程結(jié)束后，留在粉床中未熔化的粉末通過篩分回收仍然可以繼續(xù)使用。但長時間的高溫環(huán)境下，粉床中的粉末會有一定的性能變化。需要搭配具體工藝選用回收率。
  總而言之，金屬3D打印是一個新的數(shù)字化制造技術(shù)，它的發(fā)展將給我們的生活方式和工作方式帶來變化，它是傳統(tǒng)工業(yè)的有益補(bǔ)充。隨著科技發(fā)展，將會給3D打印技術(shù)帶來巨大突破，3D打印技術(shù)也會發(fā)展成制造業(yè)的主角。若能把金屬3D打印技術(shù)做到簡易操作、高效、高精度、低成本，就會帶來一場新的“工業(yè)革命”。