可重复使用的3D金属打印基板助力成本降低
- 2015-08-11 11:08:246581
一篇来自美国密歇根理工大学开放可持续技术(MOST)实验室的研究人员AmberleeS.Haselhuhn、BasWijnen、GeraldC.Anzalone、PaulG.Sanders和JoshuaM.Pearce发表的一篇论文在近引起了业界不小的重视。这篇名为《气体金属弧焊金属3D打印的基板解除系统的原位生成(In Situ Formation of Substrate Release Mechanisms for Gas Metal Arc Weld Metal 3-D Printing)》的论文主要讨论了金属3D打印工艺中基板去除的问题，他们指出制作和采用可重复使用的基板是十分可行的。
研究人员专门研究在气体金属弧焊金属3D打印过程中一块基板的重新使用。通过该项研究制造出来的解除系统非常适合在气体金属弧焊(GMAW)技术中使用。在这里GMAW被认为是一种更加经济实惠的金属3D打印形式，在该技术中，由气体保护的金属焊丝通过一个由电极加热的可消耗喷嘴给料，而热量来自于焊丝和基板之间生成的电弧。
在这次研究中，研究人员利用了专门针对GMAW技术的开源式3D打印机，在这台机器上一个三轴的台子被用来固定基板，而焊机则用于熔化铝或者钢材进行逐层3D打印。通过这样的描述我们不难想象，成品的结果一定会有基板牢牢结合在一起。
“正如你们所知，金属3D打印总是需要后期处理。因为起码，你需要通过切割把打印的金属部件从金属基板拿下来。”密歇根理工大学副教授JoshuaM.Pearce博士称，“目前，我们已经解决了铝和钢的问题，这里需要使用几种技术，其中包括改变覆盖气体、表面预处理和基板的选择，以引起金属间化合物——因此，我们只需用一把锤子就能把3D打印对象从基板上敲下来，而这个基板也可以重新使用”。
针对这样的“结合”，研究人员就是希望找到重复利用的有效办法和合适材料。研究中，他们通过分析孔隙率、硬度遍历，以及弹性和剪切模量的测定，选择了氧化铝、氮化硼、氮化钛三种不同材料用于3D打印铝金属的基板解除实验。研究人员通过操纵焊接级氩保护气体和RC25(这是一种含有25%二氧化碳的混合气体，用作3D打印钢的时候的一种“覆盖气体”)保护气体，找出了如何减少和修正粘连问题的方法。关于不同基板的研究，研究人员对每个“处理条件”分别准备了5个样本。在3D打印铝时使用了一系列的材料，并分别分为涂覆和未涂覆作为对照。而针对钢的基板所有的都没有涂覆。在3D打印过程中使用的是标准的铝和钢制线材。
在金属3D打印过程中，研究人员会变更3D打印路径以提高打印质量，在打印铝金属的时候，每层之间有60秒的停顿;在3D打印钢的时候与之类似但是方法却有所变化。对于这一点，研究人员在他们的论文中称：“所有使用的基板解除系统都小化了焊接渗透，并且在与基板衔接的地方形成了一个比较脆的区域，这样只需以小的冲击就能将样品从基板上去除。”通过这种技术，再加上允许层冷却，然后再用水进行淬火，研究人员发现基板在这样的情况下更容易被除去。研究人员使用数显卡尺等对每组五个样品都进行了试验和测量，他们发现从基板上去除3D打印金属部件而不折断任何层，打印对象也没有产生翘曲，基板在此过程中相对没有受到影响，而剩下的材料仍然保持着“清洁和光泽。”经过检查孔隙后，数据显示整体的孔隙率低于百分之五，而钢基板样品中的孔隙率则稍微低一点。
此外，研究人员还可以通过打印设置，以及操纵和促进氧化物的释放，还有促进铝-铁化合物的形成等方法使得铝质样品更容易从钢质基板上去除，而且并不需要切割工具。人们发现，氧化铝、氮化硼和氮化钛是相对较为有效的脱模剂。总体而言，这些研究成果对于那些使用金属材料进行3D打印的企业工厂，无论是小型企业还是大型工业实体，都会有所很大的帮助。这样的技术方法不仅会使整个金属3D打印过程更加简单，并且，可重复使用的基板也帮助用户节省了更多的资源成本。