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金属零件3D打印技术被视为3D打印领域高难度、高标准的发展分支,在工业制造中有着举足轻重的地位,是现今制造技术的重要发展方向。
目前,金属零件的3D打印主要应用领域是航空、航天、军工、模具制造及医疗领域,用于这些领域共同特点就是个性化、小批量的快速制造。相对来说,医疗行业3D打印的应用发展速度较快,而其它领域发展较缓慢,主要原因是医疗领域充分利用了3D打印个性化制造的特点,对3D打印产品的机械强度和效率等要求较低,其它领域都对打印零部件的内部质量、机械强度、成型速度、配合精度均提出高要求。
金属3D打印应用领域:航空航天
近日,全球首个“打印”出来的飞机引擎在墨尔本举行的航空展上亮相。莫纳什大学的工程师前后花了整整一年时间,将一个旧的飞机引擎拆分扫描,然后以激光切割“打印”,再重新组装。现在有了这项技术,一些飞机部件的生产时间有望从三个月显著缩减至六天。
空中客车公司的A350飞机逾1000个零件由3D打印完成,而且这一数量将继续保持增长态势。3D 打印的多是飞机上经常需要更换的备件,由于其规模相对较小,结构复杂,精度要求高,而这些则是3D打印的先天优势。
除了非关键部位的飞机配件,在航空制造中使用的工具也可以通过3D打印制造出来。同时,值得关注的是,相比于传统方法制作的飞机零部件,通过3D打印制作的零部件轻30%-55%,而且可以节约90%的原材料。
美国工业巨头联合技术公司(UTC)的下属公司联合技术航空系统公司,投资800万美元成立3D打印材料实验室,该实验室主要用于设计和生产新的材料以及开发制造工艺,通过3D打印技术的研发运用,为全球航空航天领域提供高科技产品和服务。
目前航空航天领域有很多企业将3D打印技术用于零部件制作,如GE、波音、空客、美国宇航局(NASA)。
金属3D打印应用领域:医疗
医疗行业3D打印的应用发展速度较快,主要原因是医疗领域充分利用了3D打印个性化制造的特点,对3D打印产品的机械强度和效率等要求不是特别高,在牙科和骨科的应用中尤为明显。
其中,3D打印的钛合金“骨骼”优势明显。想做什么形状的“骨骼”都可以,根据每一个需要的形状不同,个性打印。该类植入物带有可供骨头长入的孔隙,相邻骨头在生长的过程中会进入孔隙,使真骨与假骨之间结成一体。金属3D打印工艺可以直接获得几乎任意形状、具有完全冶金结合、高精度的近乎致密金属零件,因此被广泛地应用到医疗上,用以成型具有复杂结构且与生物体具有良好相容性的植入体。包括个性化骨科手术模板、个性化股骨植入体,人工髋关节的臼杯、颈椎椎间融合器和颈椎人工椎体。
深圳市第二人民医院利用3D打印技术制备出与患者肩胛骨完全匹配的钛合金假体,打造了一个新的“铁肩”。
北京大学第三医院骨科主任刘教授为近40位患者植入了3D打印出来的钛合金“骨骼”。
全球医疗科技机构Smith & Nephew曾在美国骨科医师学会(AAOS)年度会议中展出3D打印钛金属髋关节植入物。
金属3D打印应用领域:汽车制造
3D打印在汽车行业的应用可以降低生产成本,方便快捷地制造高精度零件,提升工作效率,降低新车型新零件的开发时间。2010年,世界上第一辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee问世。2013年,3D打印汽车Urbee2面世。
2014年,LocalMotors公司制造出了一辆能上路的3D打印跑车Strati。相比于几乎拥有2万个零件的现代汽车来说,Strati只有47个零件,总重不超过450磅。该车只用了40个小时进行打印,由2名技工用3天的时间完成组装,其最高时速达65公里,而车内电池容量则允许该车行驶范围在190-240公里之间。
2015年7月,美国旧金山的Divergent Microfactories(DM)公司推出3D打印超级跑车刀锋Blade。实现从造型美学到动力科技的新突破,带来无与伦比的卓越体验。
2016年北美底特律车展中,起亚发布了一款SUV概念车Telluride,该车包括车门面板、方向盘以及仪表盘等在内的零部件采用了3D打印技术进行生产。
金属3D打印应用领域:模具生产
以往注塑成型用的模具通常由钢或铝材料,并使用减材制造技术,用数控机床制造出来。金属3D打印工艺的出现,简化了模具制作流程。
HASCO是欧洲领先的成型服务和模具制造公司,被认为是欧洲模具标准的制订者。该公司开发了一种快速更换模具系统(Quick-Change Mold System),使得注塑成型制造商能够快速而有效地更换出模具,以减少复位机器的时间和费用。尤其是采用3D打印机打印出来的模具,使得整个过程可以更快、更便宜地制造样品,或者进行成本合理的小批量生产。
义乌模具企业借3D打印抢商机,该公司总经理介绍称,一副工艺复杂的宽口婴儿奶瓶模具加工,采用传统的制造技术,难度大不说,经过三维图设计、开模具、样品成型等步骤,大约需要15天的时间,而利用3D打印技术,48小时就能将样品打印出来,还具备高精密度的特点。再比如普通的“光头强”玩偶,仅需1个小时就能打印出来。
引进3D打印技术对于企业和市场都有积极影响。一方面,拥有3D打印机的企业自身竞争力不断提高,模具生产工艺和效率都在不断提升,自然能够吸引顾客,留住客户;另一方面,对于模具市场而言,竞争加剧也会带动其他经营户不断提升模具生产工艺和服务质量。
生产金属3D打印机的厂家
美国3D Systems
3D Systems作为世界上市值最大的3D打印公司,使用的是用激光烧结金属粉末层的技术,可用的材料包括不锈钢、钛、钴铬合金及工具钢等。在40余种的产品型号中,直接金属制造的打印机产品仍属少数。3D Systems 提供的3款3D打印设备的技术路线也是通过激光来烧结层层铺叠的金属粉末,金属粉末利用自己公司的专利技术生产,包括不锈钢、非铁合金和贵金属等,同时也可以使用SINT-TECH公司提供的马氏体钢和铬钴合金粉末。除了机械零部件外,所制造的设备还可应用于生产无镍钴铬的假牙。
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