混合金属增材制造:最新研究进展（1）(2)
时间：2022-03-17 13:34 来源：混合金属增材制造 作者：admin 阅读：次
薄板层压包括一层接一层的薄金属片(通过一个送料辊系统)，以建立一个单件，随后通过铣削成所需的零件(图2b)。胶粘剂粘接、超声波焊接和搅拌摩擦焊接可以将连续的板材相互连接起来(Derazkola等人，2020年)。
孔隙沿层边界积累的趋势和改变粒径分布的效果，以改善粘结剂/粉末润湿性和层间结合。(a) 5 μm单晶铜粉(b) 30 μm (73 vol %)和5 μm双峰铜粉
粘结剂液滴在粉床表面相互结合，形成大液珠，降低表面能。这些“球”可以形成液体弹珠，它由液体核和周围的粉末壳组成，经过干燥后可以形成空心颗粒。这些球通常会导致后续分层的困难。为了克服这一缺陷，需要改变液滴印刷图案或改善粉末/粘合剂系统的润湿性。改善润湿性可以通过改变粘结剂的表面张力、粘结剂粘度、粉末粒度分布和形状(见上图)，或将湿润剂涂覆粉末来实现。使用更小的液滴也可以提高液滴的渗透速率。
如今，搅拌摩擦焊接也开始与一种新兴的直接MAM相关联，称为“基于摩擦的增材制造”，它基于多层结构，使用金属原料而不是薄板(图2c)。该类别未在图1中列出(改编自EN ISO/ASTM 52921(2015)标准)，包括增材摩擦搅拌(AFS)和摩擦堆焊(FS)。
AFS使用一种非消耗性管状工具来产生热量，并通过金属粉末的塑性变形来实现固结，这些金属粉末流经管状材料并沉积在基板上。FS最初是作为一种表面涂层工艺开发的(Palanivel和Mishra, 2017)，它使用一种金属消耗性棒，旋转并压在基板上，生成连续的边界层来建造零件。
粉末床熔合制造金属部件的方法是将其几何形状分层，并通过聚焦的热能源在搭建平台上一次将单个粉末颗粒一层叠加在一起(图2d) (Bhavar等人，2014)。其加工路线与BJ相似，因为粉末在构建平台内保持静止，并根据预定义的二维路径一层一层地选择性粘合，直到获得所需的零件形状和高度。然而，与使用液体粘结剂的BJ不同，PBF使用热能将单个粉末粒子熔合在一起。
直接能量沉积通过喷嘴将粉末或金属丝送入构建部分，在那里通过聚焦的热能源熔化金属部件(图2e) (Saboori等人，2017)。该工艺避开了粘合剂的使用，与PBF不同的是，因为原料通过给料装置流动，并在沉积的准确时间熔化，而不是在零件建造过程中，一层一层地在建造平台内保持静态。
与粘结剂喷射(BJ)和薄板层压(SL)相比，它们的商业应用数量有限(DebRoy等(2018)，粉末床融合(PBF)和直接能量沉积(DED)在三维金属构件构建中具有广泛的适用性。本节末尾将提供关于粉末床融合和直接能量沉积过程的额外信息，因为它们在MAM中发挥着关键作用。
2.2.2. 间接MAM
间接MAM包括三大类，主要用于制造由金属和/或陶瓷粉末与聚合物的混合物制成的聚合物和高填充聚合物部件(图1);还原光聚合(VP)、材料喷射(MJ)和材料挤压(ME)。这些工艺在制造纯金属或合金金属零件方面的适用性很有限。
还原光聚合通过光激活聚合(紫外光)，通过选择性固化和交联(通过交联)特殊液体树脂(称为光聚合体)粘合在一起，创造出三维零件。这一类包括基于激光的工艺，如立体光刻(SLA)和直接光处理(DLP)，这些工艺是通过建立单一光致聚合物层(SLA)或完整的二维图案(DLP)来完成的，同时集成一种重涂机制(Appuhamillage等人，2019年)。一种称为双光子光刻的变体可用于高精度构建，其中紫外线诱导聚合仅发生在两束激光束之间的干涉区域(Oran等人，2018)。
光致聚合物的主要缺点是其成本高于热塑性塑料，而且其结构强度不足，导致零件随着时间的推移而降解和变形。
材料喷射是通过将液体光聚树脂滴一层一层地(通过喷墨式的打印机头)沉积，然后在紫外线照射下固化并粘合在一起(Yap等人，2017年)来制造零件的。流程使用相同类型的打印机头粘结剂喷射技术虽然粘结剂喷射液体粘合剂固定存款松散的粉末放在床上,构建平台为了巩固的截面部分,一层又一层,直接喷射沉积材料建设材料部分在建。
基准A和(b)匹配零件之间最小间隙的基准b滑动槽特性中的气缸保持不变，只有滑动槽和气缸之间的间隙在0.05 mm到0.9 mm之间变化。
AM可以构建工作组件作为一个单独的组件，消除了为一个功能产品组装各种组件的需要。两个移动部件之间的指定间隙取决于AM工艺的限制，包括层厚和粉末或液滴大小，以及后清洗工艺，包括移除移动部件之间形成的支撑材料或支撑结构的能力。研究人员研究设计了两个基准件，以研究最典型的配合件之间的最小间隙，包括滑动槽、轴和孔，以及沿不同轴线的相邻立方体，如上图所示。
基于材料喷射的增材制造工艺是最精确的制造工艺之一，能够制造出具有精细细节和高精度的光滑表面。然而，由于光致聚合物的成本、强度的限制以及加工时间较长导致零件尺寸的限制，其应用受到了限制。后者可以通过使用两个或多个打印头来避免。例如，一种名为“按需滴注”(drop-on-demand, DOD)的工艺用于生产熔模铸造的聚合物图案，该工艺使用两个打印头;一种用于沉积建筑材料，另一种用于沉积可溶解的支撑结构，有利于三维打印路径的整体设计(Li et al.， 2014)。
材料挤压过程中，通过连续不断地将聚合物推入加热的喷嘴，一层一层地沉积热塑性聚合物，形成三维零件(Gonzalez-Gutierrez等人，2018年)。在熔融灯丝制造(FFF)中，材料挤压是通过驱动轮将灯丝推入液化器，然后进入喷嘴进行后续沉积。这种技术对于加工大量的热塑性材料非常有效，但前提是原料细丝可以适当地卷绕，并且有足够的刚性，可以由驱动轮推动。之前在2.1节中提到的熔融沉积建模(FDM)是属于这一范畴的另一个重要过程。
材料挤压工艺不像其他增材制造工艺那样快速或准确。然而，由于尼龙和ABS等热塑性材料的成本低廉，它们在非功能性原型的成本效益制造方面的应用相对广泛。
2．3. 粉末床融合和直接能量沉积
图3给出了上述粉末床融合(PBF)和直接能量沉积(DED)两类主要MAM过程的分类。该分类区分用于加热原料的热能来源类型(激光束、电子束和电弧)和提供的原料格式(粉末和线材)。
图3 金属增材制造(MAM)工艺的分类属于两类(PBF和DED)，在三维金属零件的构建中有着广泛的应用。
基于电弧的MAM工艺被分组在从DED中提取的单独子类别下，命名为“丝弧增材制造”(WAAM)。
2.3.1 PBF-based流程
图3所示的两种基于ppf的过程;激光粉床融合(LPBF)和电子束粉床融合(EBPBF)可用于制造分辨率高的复杂原型和最终用途金属零件，减少材料浪费，有效回收未熔化的粉末。它们主要是由热能来源区分的。
激光粉末床熔合(LPBF)是最古老的MAM工艺之一，它利用激光束热能源选择性地将粉末逐层熔合并固化成固体形状(图4a)。反射镜用于在氩气或氮气控制的环境气氛中根据预先定义的二维扫描路径移动激光束，这取决于金属是否反应性(Pragana等人，2020年)。
图4 以下基于pbf的流程的工作原理示意图。
(a)激光粉床融合(LPBF);
(b)电子束粉末床聚变(EBPBF)。
LPBF是一种成熟的MAM工艺，有大量的文献关注由各种金属合金制成的成品零件的最终性能(Bhavar等人，2014)。该工艺的广泛应用，加上制造商不断改进的设备，使得如今的沉积速率可达0.1 kg/h，表面粗糙度范围在10-20 μm。这解释了近年来LPBF设备销量的指数增长(Wohlers，2017年)。
电子束粉末床熔合(EBPBF)的工作原理与LPBF相似，主要区别在于，EBPBF熔合粉末的热能来源是电子束而不是激光束(图4b)。由于电子束是在受控的真空条件下产生的，并通过电磁透镜而不是镜子来聚焦和偏转，所以热能来源的改变伴随着设备的其他几项修改。需要将原料预热到其熔化温度的0.5 - 0.6左右，以避免因静电充电(所谓的“粉末推开现象”)引起的粉末扩散(Murr等人，2012年)。
无论在研究还是在工业上，EBPBF的应用都不如LPBF广泛。尽管如此，EBPBF已经为某些工业应用铺平了道路，特别是当涉及到处理难加工的材料，如钴和镍合金、钛铝化物、铌，甚至蜂窝材料(Körner, 2016)。EBPBF的最大沉积速率略高于LBBF，表面粗糙度在15 ~ 30 μm范围内，沉积速率可达0.2 kg/h。
来源：Hybrid metal additive manufacturing: A state–of–the-art review，Advances inIndustrial and Manufacturing Engineering，doi.org/10.1016/j.aime.2021.100032
参考文献：Applications of laser assisted metal rapid tooling process tomanufacture of molding & forming tools—state of the art，Int. J.Precis. Eng. Manuf., 12 (5) (2011), pp. 925-938, 10.1007/S12541-011-0125-5
(责任编辑：admin)
CNES引入INTAMSYS聚合物FF
具有显著纵波传播特性的三
生物3D打印、类器官应用，
MIT新突破：无需半导体也
亚马逊和Holcim投资14Tree
回收SLS 3D打印尼龙废料，最新内容
《Small Science
南洋理工-剑桥大
清华大学：抗拉强
《Science》：一
国产大尺寸陶瓷3D
南京工业大学：基热点内容
