当前位置: 主页>激光3D打印>高端访谈>

钛合金之外,他开展了多种3D打印金属材料研究

发布人:3D打印商情

责任编辑:激光制造商情

来源:3D打印商情

2016-11-14 10:22

 

    严明博士跟材料科学结下不解之缘是1997年上大学后的事儿,但全身心投入到3D打印材料研究则是2014年的事情了。当时他澳大利亚昆士兰大学合作的导师被引荐到皇家墨尔本理工大学担任“增材制造中心”副主管,严明也受邀加入,自此开始了增材制造的相关研究,学成回国任教后更将3D打印明确为自己未来的主要研究方向。

    他了解到国内外对于金属材料的研究很多,但主要集中在钛合金上,铜、镁合金、贵金属(金、银)等金属材料的3D打印则鲜有研究单位涉猎,对于开拓新方向、涉足新领域抱有最大热情的严明博士来说,这恰好有着极大的吸引力。于是,严明博士的课题组几乎全面展开了对于各类金属材料的3D打印研发工作,并已经在某些材料体系,比如低模量、生物医用钛合金、塑料模具钢等材料的3D打印方面得到了较好的结果,成果有望不久后公布。

    得益于深圳市以及南科大对于3D打印产业的重视,严明博士的课题组先后获得了深圳市孔雀计划、科研副校长基金、广东省自然基金、深圳市发改委未来产业专项资金、广东省高水平建设理工科大学等一系列的支持。已到位研究经费超过1000万,研发经费充沛。实验室配备了从原材料制备到3D打印到产品性能检测的一整套科研设备,课题组也在短短一年半的时间里健康、迅速成长,除了材料,也着手研发具有自主知识产权的石腊打印机、食品打印机等等。

    本期,严明博士跟我们畅谈了他所研究的3D打印金属材料。

金属材料性能及其应用领域简析

    严明博士首先为《3D打印商情》小编简析了他们课题组所研究的钢、镍基高温合金、钛合金、金银等几种材料的特点以及应用领域:

    钛与钛合金的普遍特点是高强度、低密度、生物相容性好,这决定了其主要应用在生物医疗领域——作为人体植入体材料,比如义齿以及骨替换和航空航天领域,比如航空发动机。

    钢材,3D打印可以实现钢材质模具的快速制备,同时打印产品的质量能够跟其他加工方法相媲美,在模具行业比如用于制备塑料制品的模具以及用于制备低熔点金属的模具等方面的应用需求正日益增长。

    镍基高温合金材料的普遍特点是耐高温(可达到1400摄氏度)、耐高温氧化、抗蠕变性能优异,因此是航空发动机等关键高温零部件的首选材料。目前对于某些牌号如Inconel 625镍基高温合金的3D打印已经较为成熟。

    铝合金材料的普遍特点是低密度、强度适中。铝合金的3D打印在产品预研、产品小批量试制方面有成本(包括时间成本)优势。但目前铝合金3D打印受到的关注远不及其他金属材料。

    铜合金3D打印的主要市场在电子元器件新产品开发方面。与铝合金类似,铜合金的3D打印研发处于刚刚起步阶段。对于激光3D打印铜材料的研发,我们预期到会遇上一些困难,主要因为铜高度反射激光,这也是古人为什么以铜制镜的原因,用激光来加工铜的会较有挑战性。

    而以金、银为主的贵金属的3D打印,在个性化、定制化生产珠宝方面有很大的潜力可以挖掘——个人高档消费品是一个以亿元为单位的巨大市场。

金属3D打印材料对成功率的影响

    众所周知,在金属3D打印中,金属材料的纯净度、颗粒度、均匀度、球化度、含氧量等指标均对打印产品性能产生影响,这些因素决定着金属3D打印的成功率。

    严博士指出,由于目前对于上述因素的研发并不完备。现在业内一般认为,对于金属材料的激光3D打印而言,我们对于原材料的通常要求是:小粒径(15-53微米)、高球形度、少卫星球、杂质含量低等。

    性能方面,主要受到致密度、杂质含量等因素的影响。密度越高、杂质含量越少,材料所呈现出来的力学性能比如强度、塑性、硬度等性能越好。

    密度方面,球形度和卫星球的含量对于打印零部件的致密度影响较高。我们要求球形度好主要是因为其跟粉体的流动性有关——流动性又影响铺粉的覆盖程度,及最终的致密度;同时卫星球的存在会在局部造成大的气孔缺陷,因此需尽量避免。

    严博士说,只要前期的加工参数调试得到,对于大部分材料体系而言,个人估计,目前3D打印制品的成功率(可以通过打印材料的致密度来评估,密度越高越好,亦即气孔率越低越好。)可以达到90%以上。当然这与所采用的3D打印设备直接相关,如果设备性能稳定的话,制备合格的3D打印零部件是没有问题的。

3D打印金属材料市场分析

    可以说,材料是限制3D打印技术发展的主要瓶颈。没有材料,3D打印技术再“神通广大”也是“难为无米之炊”。据了解,在整个3D打印产业链中,打印设备、打印材料和服务三大类市场份额占比分别是39%、37%、24%,但我国原材料市场应用环节较为薄弱,大部分高端3D打印原材料仍然依赖进口。

    对此,严博士认为,我国3D打印原材料研发总体处于较低水平,但是其质量和生产建设规模正在快速提升。目前主要存在缺乏行业标准的问题。

    行业标准的缺失,造成一些实际的生产困难,比如金属3D打印原材料的杂质含量究竟控制到多少为合适?要求过高,会造成成本太高,导致使用范围过小;要求过低,则零部件的性能达不到使用要求。这需要高校、研究所和企业做系统、深入、可靠的研发,为生产实践以及行业的发展提供科学依据。

    3D打印技术源于国外,至今也不过30年时间,在我国时间兴起并不长,大约在2010年之后受关注度才大幅增加,整个行业的产值规模,也是在这一两年才有相当程度的提升。3D打印未来市场前景巨大、利润率高,无论是大到占领产业高地,还是小到有利可图,原材料市场已经受到非常之多的投资商、生产商和科研人员的关注。以这个角度而言,最好的方式就是让市场自发、自主的推动相关产业的发展,而行业联盟、产业联盟来做一些技术方面的标准制定即可。

    对于目前我国原材料依赖进口的现象,严博士认为这是一个颇为正常的现象。2000年之后,金属材料的3D打印随着大功率激光器成本越来越低而逐渐成为现实,但我国在本领域一直处于追赶者的地位。近几年,随着3D打印行业的规模越来越大、行业利润增高,吸引了大量的研发和生产的兴趣以及投入。我国的大型结构件的制备、高端整机装备、中低端的桌面机商业开发等,已经开始在国际上占有一席之地。原料端的情况也类似。除了模仿、改进国外先进技术之外,我国很多机构都在从事新的原料制备技术的研发,相信在不久的将来能看到越来越多中国原创的技术投入原材料生产。

    严博士保守估计,到2025年左右,3D打印产业将涉足包括教育、医疗、航空航天、模具、食品、建筑等诸多行业,将成为我们日常生活中必不可少的一部分,产值规模有望超过1000亿元人民币。

    而对于未来3D打印技术的发展可能性,严博士特别指出,功能集成性3D打印装备的开发,比如增材制造+减材制造一体化设备将成为可能;低成本、高品质的3D打印原材料品种也会大幅度拓展。

“3D打印+教育”概念探索

    眼下3D打印技术人才比较稀缺。而在南科大的支持下,严博士牵头在校内建立了一个3D打印实验室,实验及办公空间共150平米,另有建筑面积为120平米的制粉实验室一处。他的课题组现有2名博士后、2名研究助理、5名博士生、2名硕士生和一批本科生,总人数超过20人,已经初步形成了一个有实力、有朝气的研究团队。

    严博士独立开设的“3D打印及激光先进制造”和“增材制造与粉末冶金”两门课程也是南科大较早与3D打印直接相关的本科生以及研究生课程。在学生中颇受欢迎,一定程度上带动了他们对于3D打印的研究热情,同时培养了他们在本领域的科学素养。

    经历了从“学”到“教”转变过程的严明博士,对“3D打印+教育”概念颇有体会。他认为,从事3D打印教育的教师个人,须不断提高专业修养以及授课技巧,将教学与实验有机结合;并尽量做到系统学习与授课,让学生全面掌握3D打印有关原理、技术、硬件以及软件,甚至包括市场以产业前景分析等内容。此外,尽量提供给学生以实习、创业的机会——经严明博士联系推荐,南科大多位本科生在今年夏天获得了到深圳一家3D打印研发与销售公司实习的机会。该实习增强了学生对于3D打印行业的理解,以及3D打印技术本身的理解,又提高了其从事3D打印方向创新创业方面的热情。凭借这些机会,这些学生获得了省级别的大学生创新计划奖励,并积极筹划毕业后创业。

    通过多措并举,严明博士有望为南科大、为深圳市培养一批3D打印方面的高素质的学术以及生产研发、创新创业方面的人材。

严明博士简介 

    哈尔滨工业大学材料科学与工程博士;澳大利亚昆士兰大学矿冶&机械系联合培养博士生。2007.01-2008.12年,任日本国立材料研究所博士后研究员;2009.01-2012.04年,澳大利亚昆士兰大学澳大利亚博士后(ARC-APD);2012.04-2014.01年,澳大利亚昆士兰大学昆士兰州州立青年学者;2014.01-2014.12,澳大利亚皇家墨尔本理工大学研究员。主要科研方向为金属材料的3D打印,其目标为在南科大建立一个有特色的3D打印实验室以及为本科生、研究生服务的3D打印实验基地。此处,严明博士对于金属材料(钛、非晶态合金、铝)的粉末冶金,以及非晶态合金的开发与表征有一定程度的了解。严明博士共发表有国际期刊论文72篇,其中第一作者论文34篇,包括3篇英文书籍章节。