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重大進展：HP發(fā)明防止BJ金屬3D打印零件燒結(jié)變形的新技術(shù)
點擊次數(shù)：69 發(fā)布時間：2023-7-25
粘結(jié)劑噴射金屬3D打印通過選擇性的在粉末床上噴射粘結(jié)劑來制造零件生坯，然后進行脫脂和燒結(jié)以實現(xiàn)材料冶金結(jié)合。在脫脂和燒結(jié)過程中，粘結(jié)劑燒盡，顆粒間發(fā)生頸縮，并且隨著燒結(jié)的進行，粘結(jié)橫截面積增加。粘結(jié)面積的增加導(dǎo)致生坯部件強度的增加。然而，由于高溫作用，零件整體拉伸強度受到影響，因此具有懸垂特征的部件在重力作用下會發(fā)生扭曲或下垂。
用于避免零件下垂的傳統(tǒng)方法是添加支撐或使用陶瓷支架，3D打印技術(shù)參考注意到，HP實驗室的研究人員新開發(fā)了一種新穎的解決方案——一種形狀保持涂層，可以消除燒結(jié)過程中對支撐結(jié)構(gòu)的需求。
零件在燒結(jié)時需要添加支撐物
研究人員將形狀保持涂層應(yīng)用于銅和不銹鋼生坯部件并進行燒結(jié)，該涂層表現(xiàn)出在燒結(jié)過程中抵抗變形的能力。懸伸量為28mm的銅零件和懸伸量為33mm的不銹鋼零件在燒結(jié)后保持完整，成功抵抗了部分凹陷。涂層與零件表面形成冶金結(jié)合，在燒結(jié)過程中提供強度和穩(wěn)定性。
為了確定銅和不銹鋼零件的變形/下垂情況，在無涂層保護的情況下，生坯部件在500-1040°C的溫度下進行了熱處理。銅生坯零件在氬氣和氫氣保護氣氛下以1040℃燒結(jié)4小時，不銹鋼生坯件于1370℃燒結(jié)2小時。結(jié)果顯示，銅燒結(jié)件的偏轉(zhuǎn)角為20°，不銹鋼燒結(jié)件的偏轉(zhuǎn)角為13°。
(a) 銅生坯件 (b) 出現(xiàn)嚴重下垂的燒結(jié)銅件 (c) 不銹鋼生坯件和 (d) 出現(xiàn)嚴重下垂的燒結(jié)不銹鋼件
形狀保持涂層的開發(fā)是為了防止燒結(jié)過程中的零件變形。將專為銅開發(fā)的SRSC-Cu涂層應(yīng)用于生坯表面，在300°C下燒結(jié)1小時+500°C下2小時+650°C下1小時+1000°C下30分鐘，結(jié)果發(fā)現(xiàn)具有28mm懸伸的燒結(jié)零件保持完整，變形量極小。這些結(jié)果說明了SRSC-Cu涂層可以消除燒結(jié)過程中的零件變形。值得注意的是，零件表面的SRSC涂層可以通過噴砂來去除。另據(jù)報道，具有50mm懸伸的零件在燒結(jié)后也保持完整，沒有下垂。
帶有SRSC-Cu涂層的銅零件能夠抵抗燒結(jié)變形
通過對涂層生坯進行不同溫度的熱處理，研究人員能夠更好的理解無支撐燒結(jié)的機理。根據(jù)他們的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在300°C下處理1小時+500°C處理2小時時，涂層與零件表面形成牢固的冶金結(jié)合，并避免下垂。同時，多級燒結(jié)有助于增加燒結(jié)頸結(jié)合的體積，為其自身提供強度。當(dāng)涂層零件被加熱到600°C時，涂層中的化學(xué)反應(yīng)會使其轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗫拙W(wǎng)絡(luò)，粘附在零件表面。相關(guān)研究報道了有30°、45°和60°角懸垂特征的零件實驗結(jié)果，均成功抵抗了變形。
研究人員還研究了316L不銹鋼零件的無支撐燒結(jié)。為不銹鋼開發(fā)的SRSC鋼涂層應(yīng)用于生坯表面，并進行燒結(jié)。結(jié)果顯示，不銹鋼零件在過程中也未出現(xiàn)抵抗變形的能力。在燒結(jié)的初始階段，SRSC成分冶金結(jié)合到零件表面，并提供必要的強度，以防止在重力作用下下垂。與SRSC Cu涂層類似，SRSC鋼涂層在燒結(jié)時會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物與零件粘附較弱，經(jīng)過清洗和噴砂處理后，沒有先前涂層應(yīng)用的痕跡。
具有SRSC-Steel涂層的不銹鋼表現(xiàn)出抵抗燒結(jié)變形的能力
上圖：在多傾斜角度下抵抗變形；下圖：涂層可以誘導(dǎo)可控量的變形
在形狀保持涂層的開發(fā)過程中，發(fā)現(xiàn)某些涂層在燒結(jié)時會引起正變形，使零件產(chǎn)生抵抗重力移動并抵消零件下垂。通過優(yōu)化的涂層配方，研究人員能夠調(diào)整零件的變形程度。研究展示了形狀誘導(dǎo)涂層可以在燒結(jié)過程中為銅生坯部件增加新的尺寸，研究人員將這種有趣的新現(xiàn)象描述為“粘結(jié)金屬4D打印”，因為3D打印的綠色零件在燒結(jié)過程中通過外部涂層轉(zhuǎn)化為新形狀，并能擴展來制造自組裝金屬結(jié)構(gòu)
總的來說，這項發(fā)明對于粘結(jié)劑噴射金屬3D打印具有重要的意義，在零件生坯具有能夠支持自動化清粉處理的強度前提下，變形是影響該技術(shù)落地應(yīng)用的另一重大影響因素。該問題的解決，將進一步增加3D打印對于零件設(shè)計的自由度，并為粘結(jié)劑噴射金屬3D打印批量化應(yīng)用帶來機遇。
相關(guān)推薦：USA1相關(guān)論文推薦：Support-free sintering of 3D printed binder jet copper and stainless steel parts’, pages. 1494–1505
來源：3D打印技術(shù)參考
公眾號ID：AMReference