隆源成型將攜梯度金屬3D打印設(shè)備AFS-M120X亮相Formnext

首屆Formnext + PM South China將于2021年9月9日至11日在深圳國(guó)際會(huì)展中心舉行。展會(huì)將貫穿增材制造、材料、粉末冶金及后處理等一系列先進(jìn)的材料、技術(shù)、設(shè)備以及產(chǎn)品，精準(zhǔn)面向中國(guó)市場(chǎng)，輻射影響整個(gè)亞洲，為中國(guó)乃至亞洲的制造業(yè)帶來(lái)全新的商貿(mào)機(jī)遇，南極熊作為本次展會(huì)的戰(zhàn)略合作媒體，將全程對(duì)本次展會(huì)進(jìn)行全方位的報(bào)道，并且開(kāi)通了Formnext頻道：http://m.lhkhtyz.com/forum-227-1.html。

功能梯度材料（Functionally Graded Materials, FGM）是指化學(xué)成分或結(jié)構(gòu)在空間上按照預(yù)期設(shè)計(jì)逐漸變化以實(shí)現(xiàn)特定性能的材料[1]。其概念最早是由日本科學(xué)家在20世紀(jì)80年代提出。不同于傳統(tǒng)的復(fù)合材料，F(xiàn)GM是在兩種材料之間加入一個(gè)逐漸變化的梯度層，以此來(lái)降低內(nèi)部應(yīng)力。Huang等人[2]采用粉末冶金法制備了以6061-T6鋁合金板為基體的功能梯度Al203-ZrO2防彈復(fù)合材料，梯度結(jié)構(gòu)可以避免分層，減少周向和徑向裂紋的擴(kuò)展，增加各陶瓷層對(duì)彈丸的磨蝕作用，提高抗沖擊性能。此外，基于材料基因工程理念，結(jié)合高通量計(jì)算與表征，具有連續(xù)成分分布的FGM還可用于材料成分的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，加快新材料開(kāi)發(fā)。Coury等人[3]選取Fe50Mn50和Co50Ni50合金以及純Cr三種組元制備連續(xù)梯度材料，結(jié)果表明，使用高通量納米壓痕的方法可以快速檢測(cè)屈服強(qiáng)度，將成分預(yù)測(cè)和納米壓痕高通量實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，可大大減少實(shí)驗(yàn)數(shù)量。

FGM發(fā)展現(xiàn)狀
目前，缺乏合適的制造技術(shù)是限制FGM發(fā)展的主要瓶頸。增材制造作為一種高自由度的近凈成形技術(shù)，逐漸成為FGM研究和制造的理想手段。首先被采納的是激光直接沉積技術(shù)（Direct Energy Deposition, DED）通過(guò)改變供料配比實(shí)現(xiàn)從成分A到成分B的梯度過(guò)渡，但該方法只適用于大尺寸簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的多材料零件制備。另一方面，具有更高精度的選區(qū)激光熔化技術(shù)（Selective Laser Melting, SLM）讓高精度FGM制備成為可能。

近期，曼徹斯特大學(xué)的Lin Li團(tuán)隊(duì)發(fā)表了關(guān)于SLM和LIFT技術(shù)實(shí)現(xiàn)梯度功能材料從微觀到宏觀制備的科研成果，文章指出：“基于SLM的梯度功能材料打印具有更高的靈活性和更大的應(yīng)用潛力�！比�帝科技研發(fā)總監(jiān)趙浩博士認(rèn)為：“基于SLM的FGM打印是‘材料基因組計(jì)劃’中的一種高效的高通量材料制備及材料篩選方式，即材料篩選模式從‘逐一（1-by-1）’變?yōu)椤�逐批次（set-by-set）’，微觀上方便了各高校、院所的材料開(kāi)發(fā)工作，宏觀上有助于推動(dòng)材料科學(xué)的發(fā)展�！�

在國(guó)內(nèi)，三帝科技旗下隆源成型在其推出的專利設(shè)備AFS-M120X中實(shí)現(xiàn)了水平方向上的梯度粉層穩(wěn)定鋪放，并結(jié)合與之配套的AFSwin-X梯度工藝軟件，能夠滿足分區(qū)變速、變功率的梯度材料打印需求，從而實(shí)現(xiàn)高精度、可控梯度的FGM零件制造。目前，該機(jī)型投入使用2年多，已面向多家科研用戶完成了CoCrMo-316L、梯度高熵合金、Inconel718-316L等梯度功能材料的工藝開(kāi)發(fā)，制備FGM零件20余件、材料表征樣品300余件。

▲隆源成型梯度金屬3D打印設(shè)備AFS-M120X

▲梯度材料制備示意

▲梯度粉層鋪放

目前，通過(guò)增材制造技術(shù)制備的梯度合金均是以垂直制造方向作為梯度變化方向，主要是以層間換粉的方式實(shí)現(xiàn)，依然存在組分比例精確控制的問(wèn)題，無(wú)法形成連續(xù)梯度。而AFS-M120X設(shè)備的出現(xiàn)徹底解決了這一問(wèn)題，通過(guò)該設(shè)備制備的梯度合金零件不再是粗糙的小型棒狀試樣，而是具有極高外形精度，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的連續(xù)梯度材料制件。“這是增材制造技術(shù)的一次飛躍”，隆源成型合作單位北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院的張百成副教授指出，“另外我們也成功解決了混合粉末分離重復(fù)利用的問(wèn)題，從材料成本角度解決了梯度材料/多材料增材制造的瓶頸”。

▲316L和CoCrMo連續(xù)梯度合金制備圖示

▲CoCrMo-Inconel718 連續(xù)梯度合金

▲AFS-M120X打印的316L和CoCrMo合金一體成型樣件

▲AFS-M120X打印的1.2709模具鋼和316L不銹鋼一體成型樣件

諸多實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)隆源成型AFS-M120X可快速得到機(jī)械性能好、致密度高的復(fù)合材料，使高通量材料制備和FGM產(chǎn)品研發(fā)成為可能，在“材料基因組計(jì)劃”、新材料開(kāi)發(fā)、航空航天、汽車、醫(yī)療、模具加工等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。