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與 L/E-PBF 粉末床熔融金屬3D打印工藝相比,在 MBJ 粘結(jié)劑噴射金屬增材制造工藝中,金屬顆粒不是通過能量輸入來熔合的,而是使用液體粘合劑簡單地粘合,接下來是所謂的生坯部件的脫脂和燒結(jié),從而去除粘合劑,金屬顆粒通過擴(kuò)散過程進(jìn)入金屬鍵并形成幾乎致密的成分。
盡管通過MBJ 粘結(jié)劑噴射金屬增材制造降低組件的制造成本是可能的,而且醫(yī)療技術(shù)尤其為MBJ 粘結(jié)劑噴射金屬3D打印工藝提供了許多有前景的應(yīng)用,但這一突破尚未實(shí)現(xiàn)。 不僅MBJ 粘結(jié)劑噴射金屬3D打印工藝所需要的必要的投資成本仍然與成熟的 L/E-PBF 粉末床熔融金屬3D打印系統(tǒng)相當(dāng),而且還缺乏針對(duì)鈦等生物材料的醫(yī)學(xué)認(rèn)證工藝路線,以及合適的粉末調(diào)理策略,缺乏直接使用MIM粉末將粘合劑噴射集成到相應(yīng)的工藝路線中。
從干燥到更好的3D打印
德國弗勞恩霍夫Fraunhofer IAPT研究所及其研究合作伙伴,利用統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究了提高流動(dòng)性的不同粉末干燥策略。由于其與醫(yī)療應(yīng)用的相關(guān)性,尺寸分布低于 25 μm 的球形 Ti-6Al-4V 粉末在各種參數(shù)下使用真空和氣體吹掃進(jìn)行干燥。研究的參數(shù)、時(shí)間和溫度是在具有十一個(gè)測(cè)試和三個(gè)中心點(diǎn)的中心復(fù)合邊界測(cè)試計(jì)劃中選擇的,分析了粉末的目標(biāo)參數(shù)——水含量、流動(dòng)性和雜質(zhì)水平(氧、氮)。為了進(jìn)行驗(yàn)證,在工業(yè)粘結(jié)劑噴射系統(tǒng)上進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試試驗(yàn),對(duì)于所研究的粉末,確定了在 200°C 下持續(xù) 6 小時(shí)的優(yōu)化干燥周期。組件的尺寸精度(從 ±1.5% 提高到 0.3%)和粉末床的視覺效果得到顯著改善。
目前生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用和假肢最相關(guān)的材料是鈦及其合金,因?yàn)樗鼈兙哂猩锵嗳菪浴o毒等特性以及良好的機(jī)械性能。與 L-PBF粉末床激光熔融或 E-PBF 粉末床電子束熔融等基于熔融的增材制造技術(shù)相比,MBJ粘結(jié)劑噴射金屬3D打印工藝在鈦合金制造方面顯示出明顯的優(yōu)勢(shì),特別是在創(chuàng)建個(gè)性化生物醫(yī)學(xué)設(shè)備方面。舉例來說,目前治療手指關(guān)節(jié)疾病的形式,無論是類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎還是外傷,通常都會(huì)導(dǎo)致關(guān)節(jié)僵硬。此前,弗勞恩霍夫Fraunhofer IAPT開發(fā)了一種方法,可以生產(chǎn)在生物力學(xué)負(fù)載方面高要求的小型且精細(xì)的個(gè)性化植入物。根據(jù)3D科學(xué)谷的了解,F(xiàn)raunhofer IAPT 采用的增材制造技術(shù)是基于粘結(jié)劑的3D打印制造技術(shù)。
顯著提高生坯的質(zhì)量
無需支撐結(jié)構(gòu)即可生產(chǎn)特別復(fù)雜的零件,與L-PBF粉末床激光熔融和E-PBF粉末床電子束熔融相比,MBJ可以避免熱應(yīng)力,防止形狀變形和開裂,并且不會(huì)引起不良的微觀結(jié)構(gòu)特征或材料損失,確保高材料回收效率和成本效益,特別是對(duì)于昂貴的材料。盡管有這些優(yōu)點(diǎn),但關(guān)于鈦及其合金以及細(xì) MIM 金屬注射成型用金屬粉末用于MBJ 粘結(jié)劑噴射金屬3D打印工藝缺乏全面的研究。
德國弗勞恩霍夫Fraunhofer IAPT研究所目前工作的目的是比較不同的干燥策略,研究相關(guān)性,特別是與所研究粉末的流動(dòng)性有關(guān)的相關(guān)性,并找到優(yōu)化的調(diào)節(jié)策略,當(dāng)前的發(fā)現(xiàn)如下:
較長且較溫暖的干燥時(shí)間可改善流動(dòng)性并降低水含量的假設(shè)是可以接受的。分析干燥模型后,確定了 200 °C 下 6 小時(shí)的優(yōu)化干燥周期。
可以說,Ti-6Al-4V粉末的調(diào)質(zhì)工藝顯著提高了其流動(dòng)性。初次使用前,建議干燥新粉末。由于交付和儲(chǔ)存時(shí)間不確定,新粉末中的水分含量可能會(huì)有很大差異。干燥粉末可以顯著提高生坯的質(zhì)量,特別是表面紋理和尺寸精度。
干燥調(diào)節(jié)還有助于減少3D打印過程錯(cuò)誤。值得注意的是,調(diào)節(jié)時(shí)間的影響比溫度的影響更明顯。
弗勞恩霍夫Fraunhofer IAPT研究所下一步工作的主題將包括研究開發(fā)的調(diào)節(jié)策略如何影響材料的再利用。可以證明,對(duì)于單獨(dú)的干燥循環(huán),氧氣或氮?dú)鉀]有增加。總體而言,對(duì)于MBJ粘結(jié)劑噴射金屬3D打印工藝所使用的鈦及其合金的回收利用還缺乏深入的研究,通過建立粉末調(diào)節(jié)和鈦粉末再利用的具體指南,MBJ粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)可以提高材料效率,而不必冒犧牲組件可靠性的風(fēng)險(xiǎn),特別是在用于醫(yī)療組件制造的情況下。
晶格孔隙率量化
對(duì)晶格結(jié)構(gòu)打印態(tài)和熱等靜壓態(tài)(HIP)分別進(jìn)行X 射線斷層掃描,并提出了晶格體積分?jǐn)?shù)、空隙率和孔隙率的概念。晶格體積是指晶格內(nèi)材料的體積,空隙體積是掃描晶格內(nèi)空隙的體積。空隙體積比是由總晶格體積歸一化的空隙總體積。計(jì)算空隙體積比,以量化孔隙率占總晶格體積的百分比。可以觀察到,熱等靜壓在降低晶格結(jié)構(gòu)的孔隙率方面是有效的,4mm晶胞尺寸對(duì)HIP的響應(yīng)更大,空隙體積比降低了40%,而2mm晶胞尺寸樣品的空隙體積比僅降低了22%。還觀察到基于樣品的晶胞尺寸的孔隙率變化。具有4mm晶胞的HIP樣品的孔隙率降低了57%,2mm晶胞尺寸的樣品的孔隙率減少了44%。
這意味著,孔隙率受晶胞尺寸和熱處理的影響,2mm晶胞尺寸的樣品不易形成孔隙。對(duì)比經(jīng)過熱等靜壓處理的樣品,發(fā)現(xiàn)熱處理可降低孔隙率,而且4mm單元晶格比2mm單元晶格對(duì)熱等靜壓熱處理更敏感。
變形機(jī)制
剪切帶已被認(rèn)為是結(jié)晶金屬適應(yīng)塑性的局部變形機(jī)制之一。位錯(cuò)的集體運(yùn)動(dòng)或機(jī)械孿生經(jīng)常導(dǎo)致顯微剪切帶發(fā)生。剪切帶也可以在結(jié)構(gòu)層面表現(xiàn)出來。據(jù)報(bào)道,結(jié)構(gòu)剪切帶出現(xiàn)在金屬泡沫和晶格結(jié)構(gòu)中。晶格結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)剪切帶的出現(xiàn)是通常與負(fù)載下降同時(shí)發(fā)生,從而導(dǎo)致能量吸收能力的損失。更好地了解觸發(fā)結(jié)構(gòu)剪切帶形成的潛在微觀和宏觀機(jī)制,可能會(huì)獲得控制它們的必要知識(shí)。
3D打印GRCop-84銅合金晶格結(jié)構(gòu)的變形和坍塌機(jī)制取決于熱處理和晶格的晶胞尺寸。在GRCop-84銅合金晶格結(jié)構(gòu)的壓縮測(cè)試中觀察到兩種主要的變形機(jī)制。第一種機(jī)制是剪切帶形成,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中的晶胞以45度角塌陷;第二種機(jī)制是逐層塌陷直至致密化。在未接受熱等靜壓的4mm晶胞樣品中,剪切帶形成導(dǎo)致的失效成為主要變形機(jī)制。
準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓縮測(cè)試結(jié)果表明,變形趨勢(shì)與相對(duì)密度無關(guān)。無論拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和晶胞大小如何,打印態(tài)樣品在屈服后突然負(fù)載下降與結(jié)構(gòu)剪切帶形成或局部不穩(wěn)定導(dǎo)致層突然坍塌一致。具有4mm晶胞的GRCop-84結(jié)構(gòu)在經(jīng)熱等靜壓后可以在屈服開始時(shí)去除剪切帶。由2mm晶胞制成的熱等靜壓態(tài)結(jié)構(gòu)增加了流動(dòng)應(yīng)力,并消除了準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試期間的突然負(fù)載下降。在動(dòng)態(tài)加載過程中,熱等靜壓帶來的微觀結(jié)構(gòu)變化并未顯著改善相同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)樣品之間的流動(dòng)應(yīng)力。
熱等靜壓過程所帶來的孔隙率降低是將主要坍塌機(jī)制從剪切帶變?yōu)橹饘犹闹饕蛩亍?zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果表明熱等靜壓能夠改變晶格結(jié)構(gòu)的機(jī)械響應(yīng),其通過降低孔隙率和釋放樣品內(nèi)的殘余應(yīng)力來改變微觀結(jié)構(gòu)。由于殘余應(yīng)力的存在,打印態(tài)樣品表現(xiàn)出更高的屈服點(diǎn),在10%應(yīng)變下強(qiáng)度急劇下降,一直持續(xù)到晶格結(jié)構(gòu)完全致密化。
END
具有晶格結(jié)構(gòu)的GRCop-84可制造具有更高換熱效率的器件,這是由于GRCop-84的高導(dǎo)熱性和表面積增加所致,晶格結(jié)構(gòu)的可控固有空間和表面積使它們非常適合熱交換器等熱應(yīng)用。除此之外,在如今結(jié)構(gòu)、功能一體化設(shè)計(jì)的趨勢(shì)下,研究高功能下的結(jié)構(gòu)性能是不可忽視的重要組成部分。總的來說,這項(xiàng)研究首次看到了采用3D打印制造的GRCop銅合金晶格結(jié)構(gòu)。
聯(lián)系人:汪經(jīng)理
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