DED金属3D打印:颠覆性的先进材料和先进结构开发技术,打印头有多重要?! - 3D打印技术参考

DED金属3D打印:颠覆性的先进材料和先进结构开发技术,打印头有多重要?!

                   

3D打印技术不仅可以制造出传统加工制造技术无法实现的高性能、高复杂度的先进结构,同时,该技术也为开发创新性的新合金,尤其是超级合金,提供了新方法。截止到目前,借助3D打印技术开发先进金属材料已经获得广泛认可,不乏发表在Science、Nature顶级期刊的研究

一. 传统技术开发超级合金面临的困难有哪些

超级合金需要具有高强度、高耐热性、高耐腐蚀性等多种性能,这就要求在合金成分设计时必须精确控制各种元素的含量和比例,以满足特定的性能需求。超级合金的制造过程往往涉及高温、高压等极端条件,对制造设备和技术要求极高。同时,为了确保合金的性能稳定,还需要严格控制制造过程中的温度、时间、压力等参数。

DED金属3D打印:颠覆性的先进材料和先进结构开发技术,打印头有多重要?!每种高温合金的平均化学成分及其密度

尤其是在当前普遍借助机器学习开发超级合金的背景下,新技术可能设计出具有复杂元素配比和微观结构的超级合金,而传统制造技术可能难以实现这些设计,尤其是在保证合金成分精度和微观结构控制方面;高性能超级合金的制造通常需要精确控制冶炼、铸造、锻造、热处理等工艺参数,而传统制造技术的控制精度可能难以满足这些要求。再就是材料开发过程中的试错成本、材料成本、开发效率等,导致传统制造技术面临窘境。

二. 3D打印技术成为开发超级合金的颠覆性技术

曾任牛津大学材料系高级研究员的Chinnapat Panwisawas教授表示,金属3D打印已成为开发超级合金的颠覆性技术,尤其是采用定向能量沉积技术。

定向能量沉积技术(DED),可以将多种材料(包括粉末和线材)送入熔池,从而可以更灵活地试验不同的材料和组合,实现动态材料更换;它特别适合于创建功能梯度材料 (FGM),其中成分可以在整个部件中变化;研究人员可以在沉积过程中混合不同的材料,从而创建定制合金和分级材料结构。除此之外,DED技术的工艺参数(如进料速率、能量输入和沉积路径)可以轻松实时调整,这种适应性有利于微调新材料的性能

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借助该技术,已经有多项重磅研究发表在Science、Nature正刊。2023年,墨尔本理工大学马前教授团队借助能量沉积技术开发了一款更高强韧性钛合金,相关研究发表在了Nature杂志。研究人员通过使用激光DED技术,以商业纯钛粉末、水雾化铁粉和TiO2粉末为原材料,结合合金设计、计算模拟和实验表征绘制了增材制造工艺与以前未报道的新型合金的微观结构和性能之间的关系。在该过程中,DED技术引入了合金设计所需要的各种成分,并通过工艺参数控制获得了定制微观结构,最终开发出一种新型合金。

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NASA克利夫兰格伦研究中心的材料研究科学家表示,利用计算科学和3D打印,可以大大加快材料开发的速度,过去需要数年的反复试验,现在仅需要几周或几个月就能完成

三. 影响DED技术开发新材料的关键器件——沉积头

定向能量沉积技术的打印头在新材料开发中具有极其重要的意义。这种技术通过激光、等离子或电子束等热源在沉积区域产生熔池,并将材料以粉末或丝状直接送入高温熔区进行熔化,逐层沉积形成所需的结构。打印头作为这一过程中的关键组件,能够精确控制材料的熔融和沉积过程,从而实现对新材料微观结构和性能的精确调控。

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在新材料开发过程中,定向能量沉积技术的打印头不仅能够快速、高效地构建复杂结构,还能够通过改变打印参数和材料配比,探索新材料的性能边界和潜在应用。这种技术为新材料开发提供了强大的技术支持,有助于加速新材料的研发进程,推动新材料领域的创新和发展。

四. 国产新装置,为开发金属新材料带来突破

2024年,以英尼格玛与南理工共同开发的多光束集成丝光同轴激光定向能量沉积技术为基础,结合英尼格玛自成立以来13年深耕电弧增材制造所积累的经验,开辟出的全球首创DED新技术开发方向——多激光电弧同轴复合硬件系统。

DED金属3D打印:颠覆性的先进材料和先进结构开发技术,打印头有多重要?!
英尼格玛开发的多激光电弧同轴复合硬件系统

多激光/电弧、多模式同轴复合3D打印,通过高度集成化的系统、复杂的控制及协同模式,可实现材料制备的高灵活性、高效率和高精度,为金属新材料的快速研发和应用提供了强大的技术支撑

3D打印技术参考注意到,这款高效的新材料开发系统,通过全部可独立调控的6激光模组复合电弧热源、6路粉末和丝材同送以及双路保护气,实现包括多波长激光复合、激光电弧复合、丝粉复合以及保护气复合的四重复合技术,不仅满足提升增材材料兼容性、增材效率、构件精度、性能及复杂程度等DED技术工程化应用需求, 也为DED技术在前沿金属新材料研究开发方面带来了突破性创新

  • 实现材料组分的自由精确配比

采用送丝和6路完全独立的送粉粉路复合,允许同时进行多种材料的混合和制备,极大地提高了材料制备的自由度。并通过独立控制的送丝和送粉技术,精确地控制材料输入,实现材料组分的精确配比,为开发具有特定性能的合金材料提供了更多可能性。

DED金属3D打印:颠覆性的先进材料和先进结构开发技术,打印头有多重要?!丝粉复合

  • 实现高通量材料制备

该技术能够实现高通量的材料制备,即在短时间内制备大量不同组分或者成分梯度变化的材料样品。高通量制备能力显著提高了新材料研发的效率,加速了材料性能测试和优化进程。

DED金属3D打印:颠覆性的先进材料和先进结构开发技术,打印头有多重要?!激光电弧复合

  • 实现原位合金化

通过直接在打印过程中形成合金,实现原位合金化,省去了传统制造过程中的后续热处理等步骤,不仅提高了材料制备的效率,而且能够实现传统方法难以制备的合金材料。

多波长激光复合

  • 制备变组分梯度材料

变组分梯度材料是应现代航空航天工业的高功能要求而发展起来的一种新型功能材料,目前在航空航天、建筑工程、交通工程、生物医学工程、柔性混合电子、国防军工、核工程、软体机器人等诸多领域被广泛应用,是当前材料研究的前沿课题,前景广阔。该技术通过精确控制材料输入,可制备具有不同组分梯度的材料,实现宏观性能在同一方向上的连续梯度变化,满足不同特定应用对材料性能梯度的需求,为复杂构件的设计和制造提供了更多可能性。

保护气复合

  • 制备纳米颗粒增强材料

该技术通过精准控制的送粉技术,可实现纳米颗粒在材料中的均匀分散,增强材料的微观结构和宏观性能,使材料具有更高的弹性模量、疲劳强度以及抗磨损能力等,是极具应用前景的工程材料,适用于高端科学与工程领域等高性能要求的应用场景。

  • 更短的工艺流程

由于多激光/电弧、多模式同轴复合3D打印技术的高度集成性,工艺流程得以简化。简化的工艺流程不仅提高了生产效率,还降低了制造成本,使得新材料的商业化更加可行。

END

预计未来将有更多的新型合金和复合材料通过这一技术被制造出来。这些材料将具有前所未有的性能,如更高的强度、更好的耐磨性和耐腐蚀性,以及更优异的热稳定性等。随着技术的不断进步,多激光/电弧、多模式同轴复合3D打印技术将更加智能化和自动化,将使得材料制备和制造业生产更加灵活,能够更快速地响应市场变化和客户需求。