根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院KIT研究人員近日通過電子束熔化打印在高溫下使用的鎢組件獲得了進(jìn)展。
鎢的熔點(diǎn)是所有金屬元素中最高的，為3,422攝氏度。密度(19.3 g/cm3)很高，鎢的硬度也很高，如碳化鎢的硬度則與金剛石接近。此外，鎢還具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，較小的膨脹系數(shù)等特性，因而被廣泛應(yīng)用到合金、電子、化工等領(lǐng)域，其中硬質(zhì)合金是鎢最大的消費(fèi)領(lǐng)域。
鎢金屬是典型的難熔金屬，難成形材料，也難以通過金屬3D打印技術(shù)進(jìn)行加工。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，目前少量企業(yè)通過基于粉末床工藝的電子束熔化（EBM）和選區(qū)激光熔化（SLM）3D打印技術(shù)在探索純鎢以及鎢合金的制造，這兩種技術(shù)均為直接金屬3D打印技術(shù)。
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小荷才露尖尖角
鎢材料非常適合在高溫下使用，例如太空火箭噴嘴、高溫爐的加熱元件或聚變反應(yīng)堆。然而，鎢金屬非常脆，因此難以加工。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，KIT的研究人員開發(fā)了一種創(chuàng)新方法來使這種脆性材料變軟。為了加工鎢，他們確定了新的電子束熔化工藝參數(shù)。
鎢金屬在室溫下非常脆。由于其特性，鎢很難使用傳統(tǒng)方法進(jìn)行加工。處理既昂貴又耗時。在亥姆霍茲協(xié)會和 EUROfusion、歐洲聚變計(jì)劃的研究計(jì)劃的支持下，通過電子束熔化（簡稱 EBM）來增材制造鎢組件，KIT 應(yīng)用材料研究所 - 材料科學(xué)與工程 (IAM-WK) 成功地將 EBM 工藝應(yīng)用于鎢，開發(fā)出特定的工藝參數(shù)。
/對抗裂紋
根據(jù)3D科學(xué)谷的市場了解，鎢組件的 3D 打印現(xiàn)在成為可能。鎢金屬可以應(yīng)用于許多領(lǐng)域，由于其特殊的性能，非常適合能源和光技術(shù)、航空航天工業(yè)和醫(yī)療工程中的高溫應(yīng)用。在現(xiàn)代高科技工業(yè)中不可或缺。
EBM增材制造方法在真空下加速的電子選擇性地熔化金屬粉末，并以這種方式以增材方式生成 3D 組件，即逐層生成。這種方法的一大優(yōu)勢在于所使用的能源，即電子束。可以在熔化前預(yù)熱金屬粉末和承載板，從而減少變形和內(nèi)應(yīng)力。可加工常溫下易斷裂、高溫下易變形的材料。
根據(jù)3D科學(xué)谷的市場研究，一方面通過EBM增材制造鎢合金是一種有效的方法，另一方面LPBF基于粉末床的激光增材制造技術(shù)，勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的科學(xué)家開展了一項(xiàng)表征鎢3D打印微裂紋形成方式和原因的研究，他們將熱機(jī)械仿真與在粉末床激光熔化金屬3D打印過程中拍攝的高速視頻相結(jié)合，首次能夠?qū)崟r觀察鎢金屬的韌性到脆性轉(zhuǎn)變（DBT），觀察到了微裂紋是如何隨著金屬的加熱和冷卻而引發(fā)和擴(kuò)散。研究團(tuán)隊(duì)能夠?qū)⑽⒘鸭y現(xiàn)象與殘余應(yīng)力，應(yīng)變速率和溫度等變量相關(guān)聯(lián)，并確認(rèn)是由DBT 引起裂紋。
/商業(yè)化進(jìn)行時
在鎢金屬3D打印的商業(yè)化進(jìn)程方面，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，世界范圍內(nèi)鎢粉制造商GTP 正在推進(jìn)兩種鎢合金粉末的研發(fā)，與以往涉及到的鎢合金3D打印粉末所不同的是，這兩種鎢合金材料將用于粘結(jié)劑噴射這一間接金屬3D打印技術(shù)。
GTP 同時還提供用于EBM 和SLM 金屬3D打印的鎢合金粉末，在開發(fā)粉末的同時對于鎢合金材料的3D打印工藝參數(shù)進(jìn)行了研究。GTP曾與合作伙伴進(jìn)行了一項(xiàng)題為“直接金屬激光燒結(jié)/選區(qū)激光熔融鎢粉”的研究，目的是確定影響鎢粉致密化的關(guān)鍵工藝參數(shù)，這對于制造具有良好機(jī)械性能的復(fù)雜零件至關(guān)重要。研究團(tuán)隊(duì)還對低表觀密度或低球形粉末作為選區(qū)激光熔融3D打印原材料的可行性進(jìn)行了研究。
在應(yīng)用方面，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，醫(yī)學(xué)影像巨頭GE 也通過金屬3D打印技術(shù)開發(fā)了鎢金屬準(zhǔn)直器，此外GE 增材制造部門提供可制造鎳基高溫合金、鎢等高溫材料的EBM 3D打印技術(shù)。在純鎢或鎢合金的3D打印商業(yè)化應(yīng)用方面，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場研究，飛利浦旗下的醫(yī)療成像元件制造商Smit R?ntgen 已通過金屬3D打印設(shè)備制造了一系列純鎢零件，例如通過SLM 3D打印制造X射線設(shè)備中的針孔準(zhǔn)直器零件。3D打印對于生成薄壁零件十分有效，這給準(zhǔn)直孔徑角和形狀帶來極大地制造自由度。
國內(nèi)企業(yè)中，西安鉑力特、湖南伊澍智能制造等少數(shù)企業(yè)也在開發(fā)鎢金屬材料的增材制造應(yīng)用。鉑力特已利用SLM 3D打印設(shè)備開發(fā)出了鎢合金3D打印零件，零件整體采用薄壁結(jié)構(gòu)，最小壁厚僅0.1mm。湖南伊澍智能制造基于EBM 3D打印技術(shù)開展了對WC-Co硬質(zhì)合金層-金剛石復(fù)合材料組分以及材料增材制造工藝參數(shù)的研究，該技術(shù)旨在解決硬質(zhì)合金刀具涂層剝落的問題，利用增材制造工藝與材料，實(shí)現(xiàn)金剛石涂層材料與WC-Co硬質(zhì)合金層以化學(xué)鍵方式的結(jié)合。
l來源：3D科學(xué)谷內(nèi)容團(tuán)隊(duì)
▲3D科學(xué)谷在2021 TCT 期間進(jìn)行了《全球增材制造市場技術(shù)趨勢、市場概況及發(fā)展預(yù)測》主題分享，并發(fā)布了《3D打印塑料白皮書第二版》。
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▲3D科學(xué)谷創(chuàng)始人Kitty推薦《增材制造設(shè)計(jì)（DfAM)指南》
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