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增材制造中的材料测试

由于增材制造技术完全改变了传统制造工业的方式和原理,是对传统制造模式的一种颠覆,而目前材料成为限制增材制造技术发展的主要瓶颈,也是增材制造技术突破创新的关键点和难点所在,只有进行更多新材料的开发才能拓展增材制造技术的应用领域。

目前,增材制造技术材料主要包括聚合物材料、金属材料、陶瓷材料和复合材料等。由于增材制造中工艺参数和传统生产方法完全不同,对材料的要求也有很大的区别。本文分别以材料和应用两部分来分析这个问题。

材料部分:

以金属为例,金属零件增材制造技术中所用的原材料主要是合金粉末、合金丝材两类。

研究表明金属粉末的粒度、形状及粉末中氧的质量分数对零件成形质量均有较大影响;金属打印件气孔缺陷产生的主要影响因素为粉末的松装密度,而松装密度受颗粒形貌、粒度、粒度分布、颗粒内空隙等综合因素的影响;电子束熔融技术的材料是各种合金粉体,材料整体化学元素的均匀分布是保障成形件中熔融沉积稳定性的重要条件。因此,金属材料的性质可以直接影响打印效果和打印件的性质。

在原材料测试检验控制中金属材料如粉体或丝材,其形态与传统板材、棒材、锻件等有较大区别,其理化特性的测试检验项目也与传统减材加工技术的原材料有较大的不同。除化学成分分析外,粉体材料应着重关注其粒度、粒度分布、形貌及颗粒中的空隙;丝材应考察其几何尺寸均匀度。对此项目的考核,需要通过光学显微镜(OM)及扫描电镜(SEM)实现。

除了对材料的控制,对于打印过程的参数也可以通过事先打印标准块来进行冶金缺陷的测试,对于增材制造中的冶金缺陷,总体可归纳为熔化不良与过热变形开裂两类,与常规锻件常见的裂纹、折叠、偏析、气孔及夹杂等缺陷并不完全相同,其形态及分布因成形过程和诱因的不同而有不同表现。对此类缺陷的检测,可采用金相显微组织观察、X射线探伤机、超声波探伤等手段实现。

对于材料的力学性能等参数可以设计并打印标准块来了解此种材料,此种工艺条件下,打印件表现出来的力学性能。

应用部分:

医疗是增材制造应用较多的一大领域,3D打印牙科,骨科植入物已经有很多成功的例子,在这一领域,增材制造所用材料也有很多特殊的要求。

首先,植入物用的材料必须是生物相容性的,需要进行溶血试验、致敏试验、急性全身毒性试验、哺乳动物畸变试验等生物测试,以确保不会对人体产生毒性作用。除了这些毒性试验,对植入物打印件的力学,组织性质也需要严格控制,如打印件的孔隙率、抗压力学强度、细胞相容性等,对于骨科植入物则要求有利于细胞黏附,以提高材料表面或内部细胞的存活率。

在医疗领域,相关的生产企业会被要求通过ISO 13845的认证。

从全球范围看,有关增材制造材料的标准制定是和目前增材制造以及新材料快速发展的趋势不匹配的,目前仅有为数很少的几部标准指导增材制造材料发展,大多数的材料规格都是由生产商制定发布,市场急需标准规范发展和相关测试服务。




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