3D打印金属件机械性能研究

3D打印金属件机械性能研究3D打印（3Dprinting），即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印存在着许多不同的技术。它们的不同之处在于以可用的材料的方式，并以不同层构建创建部件。3D打印常用材料有尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料。目前3D打印出的金属零件材料致密度低，最高能达到铸件的98%，和同类材料强度更高的锻造零件相比还有较大差距。其力学性能、表面光洁度等都还不能满足高精度、高强度零件要求。由于3d打印技术是逐层打印成型来构造物体，导致打印出的金属件在微观下必然存在各向异性，并且形成层状复合、层间界面以及微孔特性。各项异性：图1晶粒生长方向图2片层结构导致各向异性层状复合：图3光学显微照片图43D层状堆砌模型图5层状结构SEM照片层间界面：图6层间界面及3D层间模型微孔特性图7微孔特性从3d打印金属件的内部结构可以发现，想要增加其机械性能，普通3d打印技术是不可能的。从力学的角度来看，构件的本质不是形状，而是内部应力结构，这直接影响结构件的强度和刚度。而构件内部应力结构的形成多数情况下要求一定的外部约束力作用，造成一定的形变后，局部产生应力场分布的改变，从而满足特定的强度需求。3D打印这种一层一层的往上叠，内部应力结构完全均一，即使形状造出来，构建强度和刚度是满足不了要求的。所以想要提高打印件机械性能只能超越现有技术。其实3D打印作为一种将材料薄层逐层叠加成型的数控加工工艺有着制作超高强度制品的发展前景。当使用纳米金属颗粒作为打印原料时，可以在较低的温度下将纳米金属颗粒熔融后由打印头重复喷涂积累成型，而在采用将粉末材料铺设后再烧结而重复积累成型方式时纳米金属颗粒也可按照所铺设的构型被充分熔融再凝固，而且打印时控制所叠加的每一层材料的厚度就可以控制每一层材料熔融后再凝固所形成的晶体的大小，（当熔融的金属层足够单薄且附着在冷的基材上凝固时因为降温迅速还可以获得高强度的非晶态金属结构）当控制使所叠加的每一层材料的厚度很微小时就可得到微晶结构制品，使用激光熔融金属时，宜采用功率大而作用时间短的脉冲激光只使被照射部位尽快熔融而避免长时间照射使相邻的已结晶部位重新熔融造成已完成加工部位的晶体生长融合到正在加工的部位。且激光束的波长越短其最小照射光斑直径就可控制得越小其熔融加工的精度就越精细，如要熔融比激光照射光斑更小的区域可使激光束部分射中正在加工和已加工的材料，如果对材料进行有计划地叠加、熔融（打印时可进行逐行、逐列、隔行、隔列、交叉行列等任意顺序打印）和控温凝固（可另外以小功率光束辅助照射而控制降温方向）还可使结晶的方向被有计划地定向控制可得到按照计划意图排列的晶体结构。显然当金属制品具有按设计意图定向排列结晶的微晶结构时其强度远高于传统铸造、锻造工艺所能得到的强度。（可惜每层叠加材料的厚度越微小则打印速度越慢，满足了强度就难以满足制作速度）使用其他非金属打印原料时如果材料颗粒属于纳米粒度而且材料每层叠加的厚度足够微小，对熔融和凝固过程也精确地控制，则同样可以得到高强度微晶结构（当熔融层足够单薄且附着在冷的基材上凝固时因为降温迅速还可以得到高强度的非晶态结构）。至于打印复合材料的制品时，因为3D打印机可对不同的材料的交叉叠加及积累进行精致的数字化控制，使得各种不同材料可按照设计意图精确地、复杂地、充分地进行混合配置成型，所以其制品强度相较于传统加工工艺可有着明显优势。所以即使现在有些3D打印机存在着所打印制品的结构强度低的缺点，但那只是受制于打印原料颗粒不够小、对叠加层的厚度控制不够细微、对熔融和凝固过程的控制不够精确等原因，而3D打印技术随着其加工精度不断提高是适于制作高强度制品的。参考文献[1]罗军.中国3D打印的未来[M].东方出版社,2014,06.[2]卢秉恒，李涤尘.增材制造(3D打印)技术发展[J].机械制造与自动化，2013[3]GeblerM,UiterkampAJMS,VisserC.Aglobalsustainabilityperspectiveon3Dprintingtechnologies[J].EnergyPolicy,2014,74:158-167.