RWTH亚琛工业大学DAP学院通过快速合金开发 (RAD) 方法优化PBF-LB用合金
根据3D科学谷的市场观察，市场上对不锈钢3D打印新型材料的研究甚少，大部分集中在钛金属材料、铝合金以及复合材料的增材制造研究。而3D打印-增材制造零件的性能对于加工工艺参数极为敏感。要获得稳定的打印结果往往需要大量的实验来确定针对性的加工工艺参数。
那么是否可以通过预合金粉末材料作为起始基础，并通过添加元素粉末有目的地进行改性，以便有效优化 PBF-LB基于粉末床的激光增材制造加工过程 – 创建理想的优化合金？根据3D科学谷的市场观察，RWTH亚琛工业大学DAP学院携手RWTH钢铁研究所IEHK正在快速高效地鉴定和开发 PBF-LB 优化合金。
© 德国亚琛RWTH DAP(www.dap-aachen.de)
....快速合金开发RAD
根据3D科学谷的市场研究，对于不锈钢合金粉末材料来说，目前的一个市场挑战是如何开发出表面硬化，并且可以热处理的不锈钢合金粉末材料。是否存在可以被认证的材料，这些可以使零部件在LPBF加工过程中不会形成裂缝或缺陷？
有时候要加工出合格的零件，仅仅调整LPBF工艺和设备是不够的，因为目前使用的不锈钢合金粉末成分特别适合于传统的制造技术，而不是专门为3D打印工艺所开发的。
然而，通过传统加工技术，不锈钢均存在加工时切削强韧、切削温度很高的特点。当强韧的切削流经前刀面时，将产生黏结、熔焊等黏刀现象，影响加工零件表面的粗糙度。
而通过LPBF工艺加工不锈钢粉末材料，解决了传统切削方式加工的弊端。3D打印不锈钢材料缩短了产品的开发制造周期，可快速高效地进行小批量复杂零部件的制造。
▲各种合金在建造状态下的碳含量的电子束微量分析（由 RWTH DAP/IEHK 提供）
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来自德国亚琛工业大学数字增材制造 (DAP) 和钢铁研究所 (IEHK) 的科学家们一直在研究一种方法来测试和修改增材制造钢的性能。
DAP特别关注专门用于激光束粉末床熔化(PBF-LB) 的合金，以实现最佳生产和适应应用的机械和微观结构部件性能。预先合金化的、已经建立的粉末材料的化学成分会受到添加元素粉末的特别影响。
RWTH亚琛工业大学数字增材制造DAP学院 和钢铁研究所 IEHK认为“免费几何”和“免费复杂性”是增材制造的核心价值——然而，通过增材制造可以实现特别的微观结构和机械部件的特性。
而粉末材料在实现特别的零件性能方面扮演了重要的角色，当前的很多材料已经在一些基于粉末的 AM 工艺中验证使用，但这些材料并不是专门为 PBF-LB 金属3D打印加工过程开发的，这些材料具有相应的优化潜力。
这就是RWTH亚琛工业大学DAP学院的快速合金开发 (RAD) 的用武之地：使用预合金粉末材料作为起始基础，并通过添加元素粉末有目的地进行改性，以便有效地为优化 PBF-LB加工过程创建新的合金组合。
在 DAP 和 IEHK 的应用示例中，研究人员通过精确调整碳含量 (C) 来修改预合金钢粉末 (X30Mn22) 的性能。碳对 PBF-LB 工艺中材料的可加工性以及增材制造部件的拉伸强度和断裂伸长率有重大影响。为了研究不同粉末成分的性能，由不同比例的 X30Mn22 粉末和碳粉组成的粉末混合物来进行PBF-LB 工艺（高达 1.2 wt% C）加工；所有组合物的相对密度均大于 99.8%。
在成功通过 PBF-LB 处理粉末混合物后，制造了更多样品用于分析微观结构和机械性能。电子束显微分析表明，碳均匀分布在基体中，因此转变为合金。此外，科学家们将粉末混合物制成的样品的行为与由初始成分的预合金钢粉制成的样品的已知特性进行了比较。用于分析机械性能的拉伸试验证明粉末材料性能的成功适应：拉伸强度以及断裂伸长率根据添加的碳量而变化。
▲所研究成分的应力-应变图（由 RWTH DAP/IEHK 提供）
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亚琛工业大学的DAP学院和 IEHK研究所 表示，其应用开发结果表明，快速合金开发 (RAD) 是一种有前途的方法，可用于快速且资源高效地鉴定和开发 PBF-LB 优化合金。此外，可以通过这种方法调整化学合金成分，以便有针对性地影响和再现待增材制造部件的微观结构和机械性能。
该研究项目由德国研究基金会和联邦教育和研究部资助。
亚琛工业大学（RWTH) DAP是ACAM亚琛增材制造中心的研发成员，在推动Intelligent digital materials-智能数字材料的发展方面，DAP具备三大优势：来自亚琛工业大学（RWTH) 国际领先的数字孪生技术优势；来自亚琛工业大学及Fraunhofer研究所的材料与生产制造研发优势；来自亚琛工业大学及Fraunhofer研究所在增材制造领域的研发优势。
根据3D科学谷的市场观察，不锈钢的3D打印正在越来越多的受到研究机构和商业化企业的关注。其中，在商业化领域，GKN推出的低合金钢扩大了激光粉末床熔化金属3D打印工艺（LPBF）和粘结剂喷射金属3D打印工艺（Binder Jetting)的材料范围。在其钢粉业务中，GKN增材制造材料业务开创了用于增材制造的新型低合金钢粉，可实现现有工业材料的机械性能，包括铸造、锻造和MIM钢等工艺所加工的材料性能。这些突破性的低合金钢粉为汽车行业等行业引入增材制造工艺创造了新机遇，其中可扩展性和成本是关键驱动因素。
GKN与亚琛合作紧密，材料巨头GKN增材制造看到了数字化的加速趋势，以及数字化在推动3D打印突破边界约束的力量，通过与ACAM亚琛增材制造研究中心的密切合作，GKN增材制造正在加速技术创新，推动3D打印的主流应用从原型与设计验证转向批量生产。
通过政府资助的研究项目，以及与类似于GKN, 欧瑞康，格朗吉斯铝业等材料厂商的合作，亚琛的科学家们正在推动从材料到零件的整个工艺链的数字化，从而为零件的致密性、质量的可重复性，认证过程提供数字化基础。
正如ACAM亚琛增材制造中心在formnext 2021深圳展会discover3Dprinting的3D打印发现之旅论坛上关于《增材制造技术“深潜”-前沿发展趋势》中所分享的，推动材料开发需要确保大幅减少增材制造新材料设计、开发和取得资格所需的时间和成本。该领域包括开发新的和新颖的计算方法，如基于物理及模型辅助的材料性能预测工具；开发对计算机预测进行验证所需的通用基准数据，以及针对材料性能表征的新思路，有助于为每一个新的增材制造材料-工艺组合开发设计循环。
关于亚琛如何在材料与设备开发、可持续性发展、批量化执行、增材制造中的人工智能、5G赋能自适应自进化制造、协作生产、增材制造过程的数字化管理等方面推动增材制造的发展，3D科学谷将保持持续关注。
更多3D打印在不锈钢领域的应用，请参考3D科学谷发布的《不锈钢3D打印白皮书》
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