基于桌面金属3D打印的Ti64钛合金材料和工艺被突破，细数其难点和应用
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近日，Desktop Metal宣布Ti64钛合金已适用于其桌面金属3D打印系统，可为客户提供最简单的方法来打印小批量高性能金属零件以进行预生产和最终用途应用。随着Ti64在下个月开始发货，Desktop Metal将成为第一家将钛合金商业化用于挤出式金属3D打印的公司。
钛合金桌面金属3D打印的难点
采用基于挤出的桌面金属3D打印工艺处理钛合金一直存在挑战，这种材料的粉末形式具有极强的反应性且难以烧结。3D打印技术参考通过升华三维了解到，钛合金的打印和烧结过程对氧含量很敏感，如果过程控制不好，便难以实现零件致密化以及好的延伸率；设备稳定性、温度均匀性都是考量指标。
Desktop Metal指出，由其第二代桌面金属3D打印系统Studio System2生产的Ti64具有卓越的机械性能，拉伸强度、屈服强度以及断后伸长率分别达到730Mpa、845MPa和17%。这些数据超过了ASTM F2885-17为金属注射成型外科植入物应用设定的标准。
桌面金属3D打印的Ti64拉伸曲线
桌面金属3D打印的Ti64微观组织
使用桌面金属3D打印系统来打印Ti64钛合金来开发应用，具有比使用传统粉末床熔融（SLM/EBM）3D打印设备更低的使用成本和运营成本。Desktop Metal自推出桌面金属3D打印机以来，已被福特、宝马、伊顿、谷歌、3M、史丹利、洛克希德马丁以及世界领先的教育机构，如麻省理工学院(MIT)、米兰理工大学等30多个国家的数百家客户采用。
钛合金桌面金属3D打印的应用案例
• 机器支架
该支架使用晶格填充和钛合金打印代替17-4PH不锈钢，能够减轻重量并减少材料的使用量，同时可以保持所需的功能强度和刚度。由于结构的复杂性，传统制造工艺不可能完成生产，使用Ti64在Studio System2上3D打印这种新设计将零件重量减轻了59%。
桌面金属3D打印的Ti64机器支架
• 望远镜对焦环
小型望远镜聚焦环将镜头固定在移动望远镜上，该望远镜具有多个用于定位和聚焦镜头的电机。采用Ti64 3D打印的对焦环可确保所有组件具有极轻的重量，从而可以使用更小的电机，减少组件的磨损和组装的总成本。通常，该部件需要小批量生产，因此需要购买昂贵的工具或定制夹具。Studio System 2则在不到24小时内打印了多达六个对焦环，并可以在几天内完成后续处理实现安装。
• 无人机联轴器
无人机面临的主要挑战之一是电池寿命，这主要取决于无人机的重量。用钛合金制造的联轴器可以显著减轻重量，同时保持无人机框架所需的结构刚度。Studio System 2支持每周实现15到25个零件的小批量生产，然后再将其投入批量生产，所有这些过程都不需要任何工具或机加工。
桌面金属3D打印的Ti64零件
• 喷油嘴
燃料喷射器喷嘴对于航空航天工业的安全和可靠运行至关重要，它们负责将燃料驱动到燃烧器中进行推进。该部件包含内部通道，可提高燃烧器的性能，但无法使用传统工艺制造。钛合金是该应用的重要材料，因为喷嘴需要能够承受极端温度和压力，同时保持轻量化。使用Studio System 2，工程师可以在短短几天内测试喷嘴的多种设计变化，并在不到24小时内打印多达四个版本的喷嘴。
第二代桌面金属3D打印系统及其材料
第二代 Studio System 2 保留了上一代打印机的所有关键功能，同时采用了全新材料配方，其中的关键在于，以前的材料中包含了蜡、树脂以及金属粉末，采用的是脱脂方法是溶剂脱脂。溶剂脱脂在所属的行业中实际上是上一代工艺，脱脂时间长，不仅拉长了整个产品生产周期，还制约着可生产产品的壁厚或者尺寸，使得基于该工艺的技术只适合成形尺寸小、壁薄且厚度均匀的零部件。而脱脂工艺的不同，依赖于3D打印线材中的粘结剂成分。
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Desktop Metal指出，其优化后的材料配方无需使用溶剂处理，打印完成可直接送入烧结炉进行处理，实现了脱脂烧结一步完成。因此，这套系统只包含打印机以及烧结炉。Desktop Metal对该产品鼓吹的重点一直都是适合办公室使用的增材制造系统，此类工艺确实避免了对粉末和激光的暴露风险。新设备还升级了文件处理功能，以实现零件在烧结过程中更均匀的收缩，并提高成功率；同时有助于提高零件侧面以及支撑面的表面质量。
棒材在打印头内传输示意图
采用桌面金属3D打印机制造的零件，经脱脂烧结后具有与铸件相似的机械性能，并达到或超过了相关行业标准。Desktop Metal的Studio System系统除可打印Ti64钛合金之外，还支持打印316L及17-4PH不锈钢、4140低合金钢、H13工具钢以及铜合金。
END
Ti64钛合金基于桌面金属3D打印仍充满挑战。业内知名的早期设备制造商Markforged、后旗之秀Raise3D等至今未推出该材料，BASF也仅有316L不锈钢线材；而据3D打印技术参考了解，针对于钛合金桌面金属3D打印，国内升华三维已经取得了一定进展。
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