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升華三維:功能梯度材料的制備工藝及創(chuàng)新性解決方案

升華三維:功能梯度材料的制備工藝及創(chuàng)新性解決方案
升華三維  2024-05-22  |  閱讀:1570

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功能梯度材料應(yīng)用前景廣泛

功能梯度材料(FGM)具有空間漸變的組分、孔隙或微結(jié)構(gòu)等特點(diǎn),是一種先進(jìn)的非均質(zhì)復(fù)合工程材料。與常規(guī)的復(fù)合材料相比,功能梯度材料宏觀上性能在同一方向上呈連續(xù)梯度變化。這使其具有良好的絕緣性能、輕量化、耐腐蝕性能優(yōu)異、易加工成形等優(yōu)點(diǎn),因此在航空航天、建筑工程、交通工程、生物醫(yī)學(xué)工程、柔性混合電子、國防軍工、核工程,軟體機(jī)器人等諸多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。


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▲FGM的主要應(yīng)用領(lǐng)域


功能梯度材料制備工藝及不足

傳統(tǒng)制備功能梯度材料的方法有很多,主要有氣相沉積法、等離子噴涂法、粉末冶金法、離心澆鑄法等,雖然這些方法已廣泛應(yīng)用于組分梯度功能梯度材料的制備,但仍有許多不足之處。采用氣相沉積方法沉積速率不高,在某些情況下會形成易燃易爆甚至有毒氣體,環(huán)境污染大,對所用設(shè)備要求高;等離子噴涂修復(fù)生產(chǎn)效率高,易實(shí)現(xiàn)組分連續(xù)變化,它能夠在形狀復(fù)雜的基體材料表面噴涂梯度層,但缺點(diǎn)是載氣價(jià)格昂貴、對噴涂材料質(zhì)量要求高、層間結(jié)合力差;粉末治金法雖然可重復(fù)性好,但工序復(fù)雜,制備形狀復(fù)雜的功能梯度材料難以實(shí)現(xiàn);離心澆鑄法僅適用特定金屬/陶瓷,內(nèi)孔表面質(zhì)量較差,加工余量大,制作異形件有局限性??傮w而言,上述方法均無法做到功能梯度材料與三維結(jié)構(gòu)的一體化制造,分別存在成形工藝復(fù)雜、設(shè)備要求高、效率低、成本高,復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)難以成形等問題。


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▲FGM常用傳統(tǒng)制備工藝


而現(xiàn)有制造功能梯度材料的3D打印技術(shù)主要有直接激光成型(DED/PBF)、熔融擠出成型(DIW)等。如選區(qū)激光融化/燒結(jié)、電子束熔化等粉末床熔融工藝;激光近凈成形、激光熔覆、激光金屬沉積等定向能量沉積工藝;漿料擠出、粉末擠出等熔融擠出工藝。但是這些技術(shù)在制造功能梯度材料時(shí)還存在許多缺陷與不足;粉末床熔融技術(shù)胚體尺寸受限,容易產(chǎn)生微小孔洞;定向能量沉積材料適用范圍窄,表面質(zhì)量差;熔融擠出存在材料流動浸潤特性,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)梯度變化較為困難。且目前3D打印技術(shù)在梯度材料的制備裝備多為科研團(tuán)隊(duì)根據(jù)研究方向自主設(shè)計(jì)裝配,材料適應(yīng)性和設(shè)備功能性較單一。因此,開發(fā)一種針對具有高適配性的功能梯度材料3D打印工藝,以助力科研人員快速實(shí)現(xiàn)功能梯度材料和產(chǎn)品開發(fā)變得尤為重要。


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▲FGM常見3D打印制備工藝


基于PEP工藝的功能梯度材料打印法

升華三維對于創(chuàng)新這一核心價(jià)值亙古不變。在功能梯度材料的制備方面,升華三維基于自主研發(fā)的粉末擠出3D打印技術(shù)(PEP),開發(fā)出了功能梯度材料打印法。采用顆粒材料按梯度設(shè)計(jì)自動調(diào)控混合打印成型,可實(shí)現(xiàn)材料的梯度連續(xù)性變化。


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▲FGM粉末擠出3D打印技術(shù)原理示意圖


該技術(shù)與傳統(tǒng)粉末冶金法形成優(yōu)勢互補(bǔ),具有設(shè)計(jì)自由度高、工序簡單、設(shè)備及材料成本低等優(yōu)勢,且可直接使用粉末冶金法的燒結(jié)等后處理工藝,能實(shí)現(xiàn)連續(xù)梯度層的復(fù)雜幾何塊狀功能梯度材料的制備。


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升華三維利用PEP打印法,推出了金屬/陶瓷功能梯度材料3D打印機(jī)UPR-241。該設(shè)備采用全新的三螺桿雙組份單噴嘴系統(tǒng),可通過三個(gè)階段實(shí)現(xiàn)成份控制、混合與擠出材料組份的實(shí)時(shí)調(diào)控。雙側(cè)給料系統(tǒng)根據(jù)組分設(shè)計(jì)要求,實(shí)時(shí)自動調(diào)節(jié)給料螺桿速度實(shí)現(xiàn)兩種喂料的成分控制;進(jìn)入預(yù)混料倉后,主螺桿擠出系統(tǒng)進(jìn)行均勻混合后并擠出至成型平臺,從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)功能梯度材料的打印成型。


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▲金屬/陶瓷功能梯度材料3D打印機(jī)UPR-241


UPR-241成型尺寸為180mm×240mm×160mm(W×D×H),可通過配套的UPrsie 3D切片軟件自動調(diào)控供料比例(10%-90%),實(shí)現(xiàn)材料成分的動態(tài)或等比例梯度層的梯度變化。采用了顆粒熔融擠出成型方式,可基于PIM材料進(jìn)行二次開發(fā)適配,支持金屬/陶瓷、陶瓷/陶瓷、金屬/金屬不同種類功能梯度材料。擠出系統(tǒng)小型化,設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊,配備有負(fù)壓吸附成型平臺,安裝拆卸便捷,取件方便;具有自動進(jìn)料功能,可實(shí)現(xiàn)無人看守長時(shí)間打印??蔀榻饘?陶瓷功能梯度新材料的開發(fā)及產(chǎn)品制備,提供設(shè)計(jì)模擬和試驗(yàn)支持。


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▲升華三維3D打印的鎢-銅功能梯度材料結(jié)構(gòu)樣品


梯度材料3D打印作為一種革命性的制造技術(shù),正在推動制造業(yè)向更智能化、個(gè)性化的方向發(fā)展。而隨著技術(shù)的不斷成熟和成本的逐步降低,其將在更多領(lǐng)域展現(xiàn)無限可能,為未來制造帶來前所未有的創(chuàng)新與變革。PEP技術(shù)具有前端材料開發(fā)和后處理工藝的高適配性,可大幅優(yōu)化梯度材料制備工藝和材料成本,為金屬/陶瓷梯度材料設(shè)計(jì)及制備工藝的開發(fā)提供創(chuàng)新性解決方案。

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