金屬陶瓷復(fù)合3D打印技術(shù)顛覆了梯度材料的工業(yè)制造方式

近日，奧地利HAGE公司正式宣布HAGE 1750L開源3D打印機(jī)可以通過FDM技術(shù)打印金屬陶瓷復(fù)合材料零部件。梯度復(fù)合材料成為材料領(lǐng)域綻開的一朵新葩，是因?yàn)殡S著當(dāng)代高新技術(shù)的飛躍發(fā)展，引起材料科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的不斷變革，使得各種適應(yīng)高新技術(shù)發(fā)展的新材料應(yīng)運(yùn)而生，而梯度材料正是適應(yīng)了這種需要誕生，而HAGE 開源3D打印機(jī)突破傳統(tǒng)工藝形成了一種全新的制造方式。

一般復(fù)合材料中分散相是均勻分布的，整體材料的性能是同一的，但是在有些情況下，希望同一件材料的兩側(cè)具有不同的性質(zhì)或功能，又希望不同性能的兩側(cè)結(jié)合得完美，從而不至于在苛刻的使用條件下因性能不匹配而發(fā)生破壞。以航天飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)中最有代表性的超音速燃燒沖壓式發(fā)動(dòng)機(jī)為例，燃燒氣體的溫度通常要超過2000℃，對(duì)燃燒室壁會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱沖擊;燃燒室壁的另一側(cè)又要經(jīng)受作為燃料的液氫的冷卻作用，通常溫度為-200℃左右。這樣，燃燒室壁接觸燃燒氣體的一側(cè)要承受極高的溫度，接觸液氫的一側(cè)又要承受極低的溫度，一般材料顯然滿足不了這一要求。于是，科學(xué)家想到將金屬和陶瓷聯(lián)合起來使用，用陶瓷去應(yīng)對(duì)高溫，用金屬來應(yīng)對(duì)低溫。但是，用傳統(tǒng)的技術(shù)將金屬和陶瓷結(jié)合起來時(shí)，由于二者的界面熱力學(xué)特性匹配不好，在極大的熱應(yīng)力下還是會(huì)遭到破壞。例如，對(duì)上述的燃燒室壁，在陶瓷和金屬之間通過連續(xù)地控制內(nèi)部組成和微細(xì)結(jié)構(gòu)的變化，使兩種材料之間不出現(xiàn)界面，從而使整體材料具備了耐熱應(yīng)力強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度也較好的新功能。

SDS工藝流程圖

HAGE 通過SDS(Shaping-Debinding-Sintering)工藝實(shí)現(xiàn)這種梯度材料的制備，這種工藝的基本流程和優(yōu)勢(shì)如下

1)3D打印原型(Shaping with F3 technology)
2)去除樹脂(Debinding)
3)燒結(jié)(Sintering)
4)最終零件

SDS工藝樣件圖

首先，SDS工藝能輕松獲得梯度材料。SDS工藝是3D打印與燒結(jié)結(jié)合的一種新工藝，能制成粉后期可燒結(jié)成型的材料，都可以通過SDS工藝實(shí)現(xiàn)，而陶瓷、金屬完全符合這樣的工藝特點(diǎn)。

其次，打印完成面質(zhì)量高。零件最終是通過類似MIM的燒結(jié)方式獲得的，其表面質(zhì)量比傳統(tǒng)的金屬打印相比要好很多。

第三，性能各向同性。受傳統(tǒng)3D打印原理的限制，Z方向性能弱于XY平面的性能。而采用SDS工藝制造出來零部件，性能各向同性?？蛻粼谑褂煤驮O(shè)計(jì)時(shí)也不必再考慮各向異性的問題，大大提高了3D打印金屬零件的應(yīng)用工況。

最后，SDS工藝能打印難熔金屬。對(duì)于銅等特殊金屬，此工藝都可以打印。

1750L 3D打印機(jī)參數(shù)

來源：華融普瑞