Четыре кастомных материала, оптимизированных для успеха аддитивного производства

С продолжающимся ростом аддитивного производства компании и исследователи придумали различные подтехнологии, аддоны и способы оптимизации печатей. Однако еще один способ достижения оптимизированного объекта — оптимизировать используемый материал. Это дало подъем различным материалам, сделанным для 3D-печати, все которые демонстрируют идеальные свойства, достигнутые через точный контроль.

Некоторые из этих материалов были спроектированы очень специфически для или с 3D-печатью и тем самым представляют технологию с новыми, новаторскими характеристиками и особенностями. Вот некоторые из самых перспективных материалов:

Scalmalloy

Фото: Beamler

Прославленный как первый оригинальный материал, специально разработанный для 3D-печати, эта смесь скандия (Sc), алюминия (Al) и магния (Mg), все амальгамированные в единый сплав. Материал был изначально разработан и запатентован APWorks, дочерней компанией группы Airbus. Как материал для металлической печати, он представляет уникальные особенности, такие как повышенная прочность (в основном благодаря наличию скандия).

В плане прочности он может превзойти традиционный алюминий и многие его производные сплавы. Он даже прочнее титана в сочетании с легкостью и коррозионной стойкостью. Конечно, материал может быть дорогим в создании, потому что он содержит скандий, который является редким металлом, также дорогим в извлечении из своих руд. Цены на скандий могут колебаться между $4000 и $20 000 за килограмм, с основными местами добычи в Китае и России.

Scalmalloy наиболее полезен для высоконагруженных, долговечных деталей. Именно поэтому он становится популярным в автомобильной промышленности и робототехнике, часто являясь частью теплообменников. Как можно подозреть, Scalmalloy также играет ключевую роль в своей отрасли происхождения: авиакосмике.

Материалы NewGen SLM

Фото: TU Graz

Этот металл появился благодаря австрийскому TU Graz, применив смесь нитрида кремния к разработке металла-АМ посвященной нержавеющей стали. Называемые материалами NewGen SLM, они представляют более контролируемые реакции в процессе формирования, результатом чего является улучшенная чистота поверхности и минимизация потребности в поддержках. Нержавеющая сталь 316L — один из самых распространенных материалов с применением в множестве отраслей по всему миру, и версия NewGen представляет улучшенные характеристики специально для печати селективным лазерным плавлением (SLM).

Исследователи протестировали различные версии модифицированной нержавеющей стали с множественными смесями. В тестировании других материалов на механические свойства и пористость они пришли к выводу, что искажения при спекании были снизимы через строгий контроль нитрида кремния и боров в нем. Они опубликовали эти находки в научной статье «Improving the Dimensional Stability and Mechanical Properties of AISI 316L + B Sinters by Si3N4 Addition».

Посколькубориды увеличивают плотность спекания, они не хорошо смешиваются в железосодержащих материалах. В результате нежелательные слои могут образовываться вокруг частицы. Нитрид кремния смягчает этот фактор и ведет к лучшей чистоте поверхности. Исследователи модифицировали металлический порошок не только для лучших механических и эксплуатационных свойств, но и так, чтобы материалы NewGen SLM требовали меньше поддерживающих структур. В таком случае модифицированная нержавеющая сталь может быть даже легче обычных металлических печатей.

В настоящее время исследователи все еще коммерциализируют этот конкретный материал. Они также улучшают эту линию исследований для тестирования других таких материалов, которые могут bénéficier похожими способами. Их работа получила внимание, и они работают с программой спин-офф феллоушн для установления надлежащего стартапа.

3D-печатный высокопрочный алюминиевый сплав

https://www.youtube.com/watch?v=8YwlenA4bdg

Изобретенный HRL Laboratories, этот конкретный штамм алюминия был недавно коммерциализирован и зарегистрирован Ассоциацией алюминия. Аддитивно изготовленный высокопрочный алюминий также отметил первую регистрацию Ассоциацией алюминия такого сплава, получив регистрационный номер 7A77.50 для алюминиевого порошка и номер 7A77.60L для напечатанного самого сплава.

Этот материал также был особенным тем, что он отметил новую систему регистрации аддитивных сплавов Ассоциации алюминия обратно в феврале 2019 года. Это был прямой результат различных новых материалов, возникающих из-за возможностей аддитивного производства. Это был первый сплав своего рода, который был печатаемым.

Химически сплав был разработан с использованием техники наночастичной функционализации HRL. Этот конкретный материал использует циркониевые наночастицы, однако настоящее преимущество этого режима производства материалов в том, что он может быть применен к широкому спектру других металлов и сплавов, часто считающихся непечатаемыми. В результате HRL также смотрят на различные другие способы, как новые материалы могут быть приведены в мир 3D-печати.

Кристаллография, метаматериалы и самая жесткая пластиковая структура в мире

Фото: ETH Zurich/MIT

Новые материальные расположения не всегда о descobrении нового материала или изменении химического состава материала, чтобы сделать его печатаемым, как иллюстрируют предыдущие примеры. Иногда новый способ использования существующих материалов может дать что-то необычное. Это был случай с различными материальными структурами, содержащими материалы, структурированные таким образом, что они производят захватывающие результаты.

Совместный проект между MIT и ETH Zurich выступает как один пример. Исследователи создали материал с самым высоким соотношением жесткости к весу, возможным, путем переустройства построения пластиков на наноуровне. Это привело к материалу, который был очень жестким, в то время как также балансировал эту жесткость с относительно низким весом. По сути, они разработали самый жесткий возможный материал, будучи довольно близко к теоретическим пределам, которые позволяет физика, просто настраивая способы, которыми его микроструктура расположена.

Такой жесткость-к-весу соотношение критично для высокопрочных медицинских имплантов, самолетов и гоночных машин. Как упоминалось ранее, главная идея не столько в используемом материале, сколько в конструкции на микроуровне. С использованием изысканных узоров ферм, жгутиков и арок исследователи максимизировали прочность и выносливость.

Аналогично, исследователи Университета Шеффилда и Имперского колледжа исследовали использование новаторских микроструктур в печатях для улучшения долговечности, надеясь создать новые способы печати сплавов. Их работа в использовании кристаллографических метаматериальных использовала компьютерное атомное моделирование для создания этих никогда не виданных структур. Эти кристаллические структуры, как они их описали, результатом которых являются печати, выходящие без границ зерен, будучи непрерывными и неповрежденными. Это дает конечной печати лучшую устойчивость к повреждениям, прочность и вязкость.

Такие материалы имеют периодические расположения узлов и стручков, делая их легкими в то время как демонстрируя комбинацию свойств, которые не происходят в обычных твердых телах. Применяя механизмы упрочнения, найденные в кристаллических материалах, для разработки материалов, которые являются надежными и устойчивыми к повреждениям, они создали печатаемые материалы, которые вычитающее производство не могло бы возможно управлять.

Похожая идея проникает в область 4D-печати, где микроструктуры так тонко сбалансированы, что они превращают обычные материалы в роботов или функциональные предметы с различными расположениями. 3D-печата часто предоставляет эти способности к тонкой настройке мельчайших деталей, пока они служат спроектированному назначению, и поощряет создание новых форм в мире производства и исследований.