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金属3d打印取得重大突破:支撑可溶解去除打印方法现世

尽管金属3d打印几乎在各方面都击败了常见的FDM工艺,但塑料打印仍然在两场战役取得了胜利:加工成本及支撑去除难易性。目前金属打印件支撑去除需要大量机加工(这有可能损毁产品本身),而通过可溶解支撑的方法大量研究者和制造商在保证塑料打印精度上已取得显著成就(比如为ABS产品生成PLA支撑,支撑可在异丙醇与氢氧化钾混合液中溶解,而不损伤ABS材料)。

然而,现在金属在支撑去除方面也有可能取得胜利。因为研究人员刚刚完成了可溶性碳钢结构的概念验证,碳钢可用作3d打印不锈钢的支撑。在这第一次可溶性金属支撑解决方案中,碳钢通过基于硝酸和氧气泡的电化学方法去除掉,而且不会对不锈钢起作用。

这项重大突破在名为“Dissolvable Metal Supports for 3D Direct Metal Printing”的论文中有详细介绍,论文中金属打印件有90度的悬臂结构。根据文章的作者Owen Hildreth(亚利桑那州立大学)、Abdalla Nassar、Timothy Simpson(宾夕法尼亚州立大学)以及Kevin Chasse(海军水面作战中心)研究成果,这项突破可为金属3d打印的重大变革铺平道路。特别是会大量减少后处理工作量,使得通过3d打印生产非常复杂金属件成为现实。

根据研究人员解释,真正的制造突破在于悬臂结构的表面,这些伸出结构需要支撑来使热变形量最小。不幸的是,这会导致后处理需要大量机加共来去除支撑。他们披露已有一个可溶金属支撑先例:牺牲阳极。牺牲阳极常用于保护重要部件不发生原电池腐蚀,不论是位于同一电解质的两种互相接触金属还是一种材料不同部位位于不同电解质(比如船体位于水面上下部分)。发生阳极氧化的材料具有更负的还原电位,它会优先于零件材料被氧化。

将这一概念应用到金属3d打印上,他们使用了耐化学腐蚀的结构材料(AISI 431不锈钢)和耐腐性较低的支撑材料(Metco 91低碳钢)。取代海洋盐水,溶解低碳钢用的是硝酸溶液。“不锈钢具有优异的耐硝酸腐蚀性能,而碳钢能够迅速被硝酸化学溶解。”他们说。

为了说明这一重要过程,他们使用Optomec LENS MR-7 3D打印机打印了一个概念验证的桥形结构。该打印机有两个送粉器,使用的是直接能量沉积(DED,Directed Energy Disposition)3D打印技术。在DED成型系统中,金属粉末或线材被送入熔池,借助激光或者电子束成型。“添加的材料进入熔池,通过相对能量/材料沉积喷头移动基板来逐层打印零件。”他们解释。

他们特意打印了一个实体钢块,零件中间1/3是低碳钢组成的,周围三侧(包括顶部)是由不锈钢沉积的。3d打印完成后,块体在硝酸溶液中进行电化学腐蚀——刚开始没有通入氧气。“在电化学分解前,立即把样品放于丙酮,然后异丙醇,最后N2干燥。”他们补充道。

但是最初的结果并不像你所预期的那么让人满意,因为酸液并没有精确地腐蚀穿透碳钢。“对实际应用来说腐蚀速度太慢了,碳钢两端各腐蚀掉1.4mm花费了10小时间。”他们说道,这一结果可以通过上面4b图看到。“通过向零件碳钢区域鼓入氧气泡,我们显著提高了腐蚀的效率。O2帮助破坏钝化碳钢,腐蚀电流形成。它显著提高了腐蚀的速度,剩下7mm碳钢区域在6小时内溶解掉。”他们揭露。

通过这样一小小改动,可溶性支撑结构突然变得可行。“这种独一无二的方法给DED 3D打印技术带来了新功能,显著减少了这类3D打印金属件后处理所需要的工作。”研究人员们称:“这些阳极牺牲材料将使得通过使用可溶性的支撑,DED和其他金属沉积系统(如送入线材和PBF)能够打印具有任意悬臂结构、任意复杂形状的零件。”

事实上,他们相信通过使用特定的化学溶液,同样的原理可以应用于广泛的金属甚至氧化物。但是显然有几个要必须满足的条件。“具体来说,阳极牺牲材料必须与零件材料在冶金上要兼容——它们必须有相似的晶体结构、相似的导热性能、相似的热膨胀系数,并且应避免形成不需要的金属间化合物。这种兼容性保证牺牲阳极和产品界面具有足够的力学强度,以处理DED金属打印过程中的极端热循环引起的应力。”他们说:“此外,还必须确定一种腐蚀性电解质,这种电解质能够以相当高的选择性(需要>100:1)来溶解牺牲阳极材料。

但是如果这些条件能够满足,这项突破必然能为更多金属3d打印铺平道路。MIT的Skylar Tibbits同样非常看好这一方法。“这种直接能量沉积技术的革命性新方法使用可溶性金属支撑,没必要通过机加工来去除阳极牺牲材料,为新类型的应用创造了机会。”它说道:“我非常期待这项研究能给金属3d打印的未来带来哪些影响。”


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