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广州雷佳增材金属3D打印材料工艺及其应用实例

日期: 2020-04-02
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一、激光选区熔化技术简介

激光选区熔化技术SLM的基本原理是先在计算机上利用Pro/eUGCATIA等三维造型软件设计出零件的三维实体模型,然后通过切片软件对该三维模型进行切片分层,得到各截面的轮廓数据,由轮廓数据生成填充扫描路径,设备将按照这些填充扫描线,控制激光束选区熔化各层的金属粉末材料,逐步堆叠成三维金属零件。下图所示为其成型原理图,激光束开始扫描前,铺粉装置先把金属粉末平推到成形缸的基板上,激光束再按当前层的填充扫描线,选区熔化基板上的粉末,加工出当前层,然后成形缸下降一个层厚的距离,粉料缸上升一定厚度的距离,铺粉装置再在已加工好的当前层上铺好金属粉末,设备调入下一层轮廓的数据进行加工,如此层层加工,直到整个零件加工完毕。

 

广州雷佳增材金属3D打印材料工艺及其应用实例 

二、团队简介

广州雷佳增材科技有限公司是国内工业级金属3D打印技术领航企业,成立于2017年。广州雷佳增材科技有限公司是一家专业从事金属3D打印设备研发、制造、销售以及提供3D打印服务的高新技术企业。公司创始团队由华南理工大学激光3D打印团队和同行外企的技术市场团队共同组成,是国内早从事金属3D打印研发的团队之一。自2002年起,自主开发了DiMetal-50DiMetal-100DiMetal-300DiMetal-500等系列粉末床激光选区熔化系统。 

广州雷佳增材金属3D打印材料工艺及其应用实例

 

从成立至今,雷佳增材还为航空航天、模具、汽车、齿科、骨科、珠宝艺术等行业提供复杂精密的金属3D打印成形零件加工服务,材料涵盖钛合金、不锈钢、模具钢、铝合金、钴铬合金、贵金属等,广泛应用于航空航天、模具、汽车、齿科、骨科、珠宝艺术等行业,零件成形精度高,内部致密,表面粗糙度低,零件经过修复抛光后便可使用。

广州雷佳增材金属3D打印材料工艺及其应用实例

 

三、材料工艺性能介绍

激光选区熔化技术使用的金属粉末材料主要有铁基合金、铝合金、钛及钛合金、钴基合金、铜合金、镍基合金等材料,粉末的粒径大多为10~45μm,要求含氧量少,流动性好,具有较高纯度。

广州雷佳增材制造公司深耕材料工艺多年,在金属3D打印领域拥有丰富的行业经验。目前广州雷佳增材制造公司研发Laseradd DiMetal系列金属3D打印机可加工材料包括不锈钢、模具钢、铝合金、铜合金、钛合金、高温合金以及钴铬合金等多种金属粉末,并将持续开发更为丰富的材料,以满足不同客户的需求。以下介绍各种材料的组成成分、成形工艺、性能及应用案例。

1.316L不锈钢

316L不锈钢是奥氏体不锈钢,具有良好的耐腐蚀性能好,适用于大多数工业腐蚀性介质,且力学性能好,结构强度高,同时具有生物相容性,在医疗和工业领域有广泛应用。

广州雷佳增材制造公司所使用的316L不锈钢粉末粒径为20~53μm其化学组成成分如下表:

广州雷佳增材金属3D打印材料工艺及其应用实例

 

广州雷佳增材制造公司经过多年的探索,已经形成了成熟的316L不锈钢选区激光熔化成形工艺,其工艺如下表所示:

类型

工艺参数

设备

激光功率W

扫描速度mm/s

层厚mm

扫描间距mm

高致密

140-160

700-800

0.03

0.08

DiMetal-100

高亮度

150-180

1000-1200

0.03

0.08

DiMetal-100

高效率

320-350

1800-2000

0.05

0.09

DiMetal -280

通过上面工艺参数成形拉伸件进行力学测试,得到的力学性能参数如下表:

抗拉强度(MPa

硬度(HV

延伸率(%

636

250

15~20

上表可以看出,当使用激光选区熔化成形时,测试件的拉伸强度为636Mpa,断后延伸率为15%20%,与熔模铸造件性能(抗拉强度为517Mpa,断后延伸率为39%)相比,抗拉强度显著提高,延伸率减少,延伸率的降低主要与熔池快速凝固有关。

316L不锈钢应用实例:

主要通过外接订单进行提供3D打印服务,以及自主设计打印的不锈钢工艺品。

1制造汽车零部件

通常在汽车的研发阶段,汽车制造商要花费大量金钱装备生产线,制造汽车零部件。因为工程师要努力让新零部件满足设计规格,它们必须反复创建工具和模具以生产零部件的早期原型,这些重复性的工作往往占据了研发周期的大部分的时间,导致研发周期被大幅度延长,并且大大地增加了研发成本。然而现在,利用金属3D打印技术,供应商和制造商相信他们可以省去部分投资和精力,不断改进数字设计,然后通过先进的打印机制造出符合规格的零件。

对于一些结构复杂,生产周期长甚至传统生产方式难以生产的技术零部件,利用金属3D打印技术直接制造相关的零部件,可以有效简化生产过程,节约生产成本,同时还可以提高生产速度,缩短生产周期。


                                      

广州雷佳增材金属3D打印材料工艺及其应用实例

打印的 F1赛车发动机冷却液接口

23D打印直接成型高端工艺品

3D打印目前适用于少批量、小尺寸、高精度、造型复杂的零部件元器件的加工制造,因为珠宝首饰的特性正符合“少批量”、“小尺寸”、“高精度”、“造型复杂”等特征,所以可以直接打印出贵金属模型的3D打印技术也应用于珠宝制作中。

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打印的不锈钢钢笔                                       打印的小芒果

广州雷佳增材金属3D打印材料工艺及其应用实例

           打印的开瓶器                                       打印的埃菲尔铁塔

2.模具钢(18Ni300

马氏体时效钢(18Ni300)具有高强韧性、低硬化指数、良好的成型性、简单的热处理工艺,时效时几乎不变形、以及良好的焊接性能,因而在工业领域获得了广泛的应用。

广州雷佳增材制造公司所使用的18Ni300模具钢粉末是由江苏威拉里公司气雾化法制备的球形粉末,主要粉末粒径为15~45μm其化学组成成分如下表:

广州雷佳增材金属3D打印材料工艺及其应用实例

 

广州雷佳增材制造公司对18Ni300模具钢进行了大量的工艺研究,最终得到了成形质量极好的工艺参数:激光功率195W、扫描速度950mm/s、扫描间距0.075、层厚0.03,采用正交层错的扫描方式,成形件致密度在99%以上。

通过上面工艺参数成形拉伸件进行力学测试,得到的力学性能参数如下表:

试件

抗拉强度(MPa

硬度(HV

延伸率(%

SLM试件

1266.4

380

13.01

时效试件

2108

650

6.5

固溶+时效试件

1980

670

6

锻造件

1000-1170

345

6-15

上表可以看出,当使用激光选区熔化成形时,测试件的拉伸强度为1266.4MPa,断后延伸率为13.01%经过热处理后,其抗拉强度上升到2000Mpa以上,但其塑性有所降低。 时效处理过程中,SLM-18Ni300 马氏体时效钢晶界和马氏体板条间弥散析出金属间化合物,阻碍了位错运动,显著提高了 SLM 成形件强度,但会使塑性降低。固溶+时效试样在时效处理前还需进行固溶处理,固溶处理可以消除部分 SLM 成形过程中的残余应力,得到较柔软的 Fe-Ni 马氏体,降低了 SLM 试样的强度,并使塑性提高。固溶处理后,试样进行时效处理,析出金属间化合物,提高试样强度,并降低塑性,减弱了固溶处理作用。因此,综合作用下,固溶+时效试样的强度略低于时效试样,且塑性略高于时效试样。

模具钢应用实例:

传统的冷却水道受限于传统加工的能力只能加工成简单的直孔,当注塑件形状结构复杂时,其冷却效果差,零件变形大,难以满足注塑模具对冷却效率和冷却均匀性的需求。由于3D打印是逐层堆积最终形成实体,所以可以解决传统模具无法均匀散热的痛点,传统工艺采用交叉钻孔等技术制造模具冷却水路,水路是由多段直管相连,无法贴合曲面模型。3D打印的模具可以随着模具的外形而设计水路,最大限度的打开设计者的思路,同时随着散热效果提高,从而带动了散热时间减少,脱模时间缩短产能也就提升了。

1) 打印构建具有随形冷却水道的模具镶件

注塑模具工作过程中,难以冷却热点会延长注塑件的注塑周期,同时还会严重影响到注塑件质量。

在模具的设计制造过程中,可以在难以冷却的热点位置添加具有随形冷却水道的镶件,有助于热点快速有效地冷却,缩短成型时间,提高生产效率,提高产品质量。

广州雷佳增材金属3D打印材料工艺及其应用实例 

3D打印具有随形冷却水道的模具镶件

2) 打印制造整个型芯型腔

对于某些结构复杂,容易冷却不均匀的塑件,可以通过“种植”的方式,在已CNC加工好的简单基体上打印成型结构复杂、具有随形冷却水道的型芯型腔。

广州雷佳增材金属3D打印材料工艺及其应用实例

3D打印的整个随形冷却模具

3.AlSi10Mg铝合金

AlSi10Mg铝合金具有良好的工艺性、密度小、比强度高、抗蚀性良好等特点,从而其铸件在航空、仪表及一般机械中得到相当广泛的应用。

广州雷佳增材制造公司所使用的AlSi10Mg铝合金粉末是由广州纳联公司生产的,粉末粒径为20~53μm其化学组成成分如下表:

广州雷佳增材金属3D打印材料工艺及其应用实例

  

广州雷佳增材制造公司经过多年的探索,已经形成了AlSi10Mg铝合金选区激光熔化成形工艺,其工艺如下表所示:

 

工艺参数

设备

激光功率W

扫描速度mm/s

层厚mm

扫描间距mm

220

1000-1100

0.03

0.08

DiMetal-280

235-245

1200-1300

0.03

0.08

280-300

1400-1500

0.03

0.08

DiMetal -280

330-350

1500-1700

0.03

0.08

370-380

1700-1800

0.04

0.09

390-400

1800

0.04

0.07

通过上面工艺参数成形拉伸件进行力学测试,得到的力学性能参数如下表:

抗拉强度(MPa

硬度(HV

延伸率(%

520

110

3.0

上表可以看出,当使用激光选区熔化成形时,测试件的拉伸强度为520Mpa,断后延伸率为3%,与熔模铸造件性能(抗拉强度为225Mpa,断后延伸率为4%)相比,抗拉强度显著提高,延伸率减少,延伸率的降低主要SLM成形AlSi10Mg 试样中组织同时存在固溶强化和细晶强化的双重作用,故其强度要远高于传统铸造 AlSi10Mg 铝合金,延伸率降低

AlSi10Mg合金应用实例:

AlSi10Mg 合金具有优良的铸造性能、耐蚀性能和力学性能(比强度高),通常用于制备对力学性能要求不高但形状较复杂的铸件,比如传动机匣、汽缸体、排气管、盖板、汽缸盖阀门等汽车、船舶和飞机零件等。

广州雷佳增材金属3D打印材料工艺及其应用实例 

打印的散热器


广州雷佳增材金属3D打印材料工艺及其应用实例

打印的航空发动机叶片

 

广州雷佳增材金属3D打印材料工艺及其应用实例

打印的汽车轻量化零部件

4.钛合金/纯钛

钛和钛合金因具备密度小、比强度高、耐热性高、抵抗腐蚀能力强等优势而被普遍用以宇航飞行、船舶海洋、武器制造、汽车生产、石油化学工业、医疗器械、体育等行业,被誉为“战略金属”和“现代金属”。

广州雷佳增材制造公司所使用的纯钛粉末是加拿大AP&C公司通过等离子雾化工艺制备的球形粉末,粉末粒径为15~53μm其化学组成成分如下表:

广州雷佳增材金属3D打印材料工艺及其应用实例

广州雷佳增材制造公司对纯钛进行了大量的工艺研究,最终得到了成形质量极好的工艺参数:激光功率170W、扫描速度1100mm/s、扫描间距0.065、层厚0.03,采用正交层错的扫描方式,成形件致密度在99%以上。

通过上面工艺参数成形拉伸件进行力学测试,得到的力学性能参数如下表:


抗拉强度(MPa

屈服强度(MPa

延伸率(%

未热处理

622

493

19.7

热处理

646

475

26.3

上表可以看出,当使用激光选区熔化成形时,测试件的拉伸强度为622Mpa,断后延伸率为19.7%经过热处理后,测试件的拉伸强度为646Mpa,断后延伸率为26.3%。其抗拉强度和延伸率都得到提高。

广州雷佳增材制造公司所使用的钛合金粉末加拿大AP&C公司通过等离子雾化工艺制备的 Ti6Al4V球形粉末,粉末粒径为15~45μm其化学组成成分如下表:

广州雷佳增材金属3D打印材料工艺及其应用实例

 

广州雷佳增材制造公司对Ti6Al4V钛合金进行了大量的工艺研究,最终得到了成形质量极好的工艺参数:激光功率170W、扫描速度1150mm/s、扫描间距0.065、层厚0.03,采用正交层错的扫描方式,成形件致密度在99%以上。

通过上面工艺参数成形拉伸件进行力学测试,得到的力学性能参数如下表:

抗拉强度(MPa

硬度(HV

延伸率(%

1240.5

374

3

上表可以看出,当使用激光选区熔化成形时,测试件的拉伸强度为1200Mpa,断后延伸率为3%SLM 成型的 Ti6Al4V 拉伸样件的抗拉强度 σb平均值明显高于ASTM F136GB/T 13810-2007 和锻造标准,延伸率平均值则比之要低。

钛和钛合金应用实例:

钛及钛合金因其高比强度、优良的生物相容性和较低的弹性模量( 与骨骼接近) 而广泛应用于生物医学领域。由于医用金属制件个性化程度较高,且具有小批量、形状复杂等特点,传统的制造方式很难满足要求。基于数字化、柔性化、可设计的SLM 3D打印技术则非常适合制备生物医用钛合金构件,为个性化医疗提供了可能性。

广州雷佳公司董事长华南理工大学杨永强教授的课题组通过个性化颅骨修复设计,采用SLM 3D打印技术成形了基于形控单元函数映射的多孔TC4钛合金颅骨修复体并试用于临床。

 

广州雷佳增材金属3D打印材料工艺及其应用实例广州雷佳增材金属3D打印材料工艺及其应用实例

打印成型钛合金接骨板

5.CoCrMo合金

CoCrMo合金是医学上常用的生物兼容性材料。在20世纪30年代初,铸造用CoCrMo合金已开始用于牙科以及生物医疗领域。 如今CoCrMo合金仍被认为是最可靠的金属生物兼容性材料,由于其良好的机械性能,以及耐腐蚀耐磨损性,被广泛用于外科植入体、心血管支架、以及牙科修复,特别是其耐磨性能比钛合金、不锈钢要好很多,使其更适用于活动关节。

广州雷佳增材制造公司所使用的CoCrMo合金粉末是广州纳联公司生产的CoCr-01合金粉末,主要粉末粒径为20~53μm其化学组成成分如下表:

广州雷佳增材金属3D打印材料工艺及其应用实例

广州雷佳增材制造公司对CoCrMo合金进行了大量的工艺研究,最终得到了成形质量极好的工艺参数:激光功率170W、扫描速度400mm/s、扫描间距0.08、层厚0.03,采用正交层错的扫描方式,成形件致密度在99%以上。

通过上面工艺参数成形拉伸件进行力学测试,得到的力学性能参数如下表:

抗拉强度(MPa

硬度(HV

延伸率(%

979

434

5.2

上表可以看出,当使用激光选区熔化成形时,测试件的拉伸强度为979MPa,断后延伸率为5.2%

CoCrMo合金应用实例:

钴基合金也可作为高温合金使用,但因资源缺乏,发展受限。由于钴基合金具有比钛合金更良好的生物相容性,目前多作为医用材料使用,用于牙科植入体和骨科植入体的制造。目前常用的3D打印钴基合金牌号有Co212Co452Co502CoCr28Mo6等。

 

广州雷佳增材金属3D打印材料工艺及其应用实例

膝关节假体 SLM 成型件

广州雷佳增材金属3D打印材料工艺及其应用实例 

个性化牙冠成型效果

6 高温合金(In718

高温合金是能够在600℃以上的高温环境下工作,并能够在复杂应力下长期可靠工作的一类合金,又称热强合金、耐热合金或超合金。高温合金按照化学成分可分为镍基、铁基和钴基合金。其中,镍基高温合金是以镍为基体,工作温度在 650℃1000℃之间,并具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的一类高温合金,而 Inconel718 合金(以下简称为 IN718 合金),是当前用量最大的一种镍基高温合金,占高温合金年总产量的 4050%,可见其应用的广泛性与重要性。

广州雷佳增材制造公司所使用的In718高温合金粉末是江苏威拉里公司生产的球形粉末,主要粉末粒径为15~53μm其化学组成成分如下表:

广州雷佳增材金属3D打印材料工艺及其应用实例

 

广州雷佳增材制造公司对In718高温合金进行了大量的工艺研究,最终得到了成形质量极好的工艺参数:激光功率215W、扫描速度900mm/s、扫描间距0.08、层厚0.03,采用正交层错的扫描方式,成形件致密度在99%以上。

高温合金合金应用实例:

In718高温合金具有良好的抗疲劳、抗辐射、抗氧化、耐腐蚀性能,以及良好的加工性能、焊接性能良好。能够制造各种形状复杂的零部件,在宇航、核能、石油工业及挤压模具中,在上述温度范围内获得了极为广泛的应用。


广州雷佳增材金属3D打印材料工艺及其应用实例

7.NiTi合金

镍钛合金是一种形状记忆合金,形状记忆合金是能将自身的塑性变形在某一特定温度下自动恢复为原始形状的特种合金,具有良好的可塑性。等摩尔比的钛镍合金具有优异的形状记忆、超弹性和高阻尼性能,目前已经广泛的应用于航天航空业的各种零部件以及机械行业的各种特殊器件。此外,钛镍合金无磁无毒,具有良好的生物相容性及较低的生物蜕变性,使其成为一种理想的生物医学材料。

广州雷佳增材制造公司所使用的NiTi合金粉末是纯钛和纯镍粉末按照11的比例混合而成。通过对NiTi合金进行大量的工艺研究,最终得到了成形质量极好的工艺参数:激光功率160W、扫描速度700mm/s、扫描间距0.08、层厚0.03,采用正交的扫描方式,成形件致密度在99%以上。

通过上面工艺参数成形拉伸件进行力学测试,得到测试件的拉伸强度为560MPa,断后延伸率为16.85%。下面为打印的拉伸件以及工艺测试件。

广州雷佳增材金属3D打印材料工艺及其应用实例 

打印的拉伸件

广州雷佳增材金属3D打印材料工艺及其应用实例 

打印的工艺测试件


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