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科学家开发出更经济更快的金属3D打印工艺 |
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| http://cn.newmaker.com
1/15/2016 9:28:00 PM
佳工机电网
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我们已经知道，金属3D打印市场是整个3D打印领域中增长最快的部分。然而当前的金属3D打印工艺并不是非常理想的。众所周知，我们常见的金属3D打印技术需要使用高密度能量，比如激光或者电子束，来根据预先确定的形状熔融打印床上的金属粉体，并创建出3D结构。尽管这种方法能够生成极强的金属3D结构，但是它也有缺点。比如：它的成本非常昂贵而且耗时；尚不能生成某种类型的结构，比如空心或者封闭的对象；它还受到可使用的金属或者合金类型的限制。
为此，美国西北大学的研究团队近日开发出了一种全新的方法来实现金属3D打印。据称这种方法更便宜、更快，而且为全新的金属材料和结构可能性敞开了大门。这种方法不使用粉末床和能量束。而是使用研究团队发明一种由金属或混合金属粉末、溶剂和弹性体粘结剂制成的液体油墨。这种油墨可以在室温下通过一个喷嘴迅速挤出，就像普通的FDM3D打印机那样。而一旦挤出，这种液体油墨会瞬间凝固，就可以迅速创建出比较大的对象，而且由于它们还没有被加热，可以立即进行处理。
第二步是将其放到一个简单的窑炉里对已经形成的3D结构进行加热，并融化这些粉末。这一过程被称为烧结，因为粉末并没有真正融化就已经永久结合在了一起。“我们的方法将整个过程拆解为打印和烧结两个部分，看来似乎更加复杂了。”该校材料科学与工程教授DavidDunand说：“但是，事实上，它解放了我们，因为与相结合的方法相比，每一步都是变得容易得多。”
而且，作为一种更快、更具成本效益的解决方案，这种新型的金属3D打印工艺可以创建出比之前的金属3D打印技术更加复杂的结构。
而且这种更加复杂的结构的创建得益于医用高分子材料的使用，这种材料使得3D对象在其实际被加热之前可以高度折叠和弯曲——在这一阶段，该3D对象被称为绿体（greenbody）。它们可以达到数百层厚而不会坍塌。“其他的粘合剂不会使3D打印对象具有这样的属性。我们的3D打印对象可以在过火前被操纵，这样就使我们能够创建出在很多金属3D打印技术中无法实现的体系结构。”该项研究的领导者，该校材料与科学工程助理教授RamilleShah解释说。
其次，在传统的金属3D打印过程中，逐层进行激光加热的方法会在不同的区域产生加热和冷却的应力，从而导致不良的微观结构和完成对象中的缺陷。而研究团队的新方法则是在窑炉内一次加热整个“绿体”，确保了均匀温度和致密结构的烧结，不会产生翘曲和开裂。
“对我来说，作为一位冶金学家，我很惊讶这个结构没有变形或裂开，尽管在致密化的过程中导致了广泛的收缩。”Dunand说：“这可不是我经常会看到的东西。”
而且，在这种新工艺中，可以一次使用许多挤出喷嘴，高达数米宽的板材可以快速3D打印出来并折成3D结构——唯一的限制是窑炉的尺寸。
到此为止，您是不是已经对这种全新的金属3D打印工艺很满意了？但是还不止于此，西北大学的科学家们还发现了这种工艺的另一新用途：它还可以3D打印与金属氧化物，比如铁锈等。尽管在普通人看来，铁锈似乎不那么讨人喜欢。但是实际上与纯铁粉相比，铁锈粉更轻、更稳定、更便宜和处理起来更安全。
使用这种新的工艺，研究人员可以使用铁锈或者其他金属氧化物进行3D打印，然后用氢将这些金属氧化物还原成纯的金属，最后再放到窑炉里进行加热烧结。看起来使用铁锈或者其他金属氧化物进行3D打印的过程似乎复杂了一些，但是要知道，铁锈与纯铁粉的价格可是天差地别的。
科学家们称，这种新型的金属3D打印工艺可以用于3D打印电池、固体氧化物燃料电池、医疗植入物、航空航天和飞机零部件等等。他们认为这代表着金属3D打印技术朝着主流应用迈出的重要一步。
这项研究发表在了《AdvancedFunctionalMaterials》杂志上，博士后研究员AdamJakus、研究生ShannonL.Taylor和本科生NicholasR.Geisendorfer共同撰写了该论文。
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