3D列印用金屬粉體材料技術與應用發展

 

刊登日期:2015/10/5
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3D列印的主要材料分為塑料和金屬二大類。然而多種填料與複合材料也可使用,例如高分子–陶瓷和陶瓷–金屬複材。令人印象深刻的是越來越多金屬粉末可用在 3D列印系統,設計人員可以選擇的範圍就更廣。許多研究已經證明,客製化的微結構可以用 3D列印製程來產生,此為傳統金屬成型製程所做不到的,並在某些情況下,這種能力可大幅地提高金屬部品的性能。本文將詳細介紹高性能金屬粉體的製備方法,以及國內、外金屬粉末 3D列印技術的最新發展狀況。

3D列印用金屬粉體需求
3D列印用粉體由於積層製造過程歷經快速冷卻凝固,與傳統製程有所差異,而快速冷凝的過程將導致材料應力分布情況改變,因此合金設計需重新考量,才能使產品得到最佳性質。另 NanoSteel Company 的專家提到,在一連串規劃的實驗中,金屬粉體的圓球度、氧含量等等將會對 3D列印後的產品性質產生極大影響。總體來說,金屬 3D列印中為使產品性質最佳化,高性能金屬粉體需具備以下條件。

3. 粉末合金組成
良好的粉體需具有精準的合金配方、均勻的合金元素分布以及規範內的雜質元素含量。而為了配合 3D列印之急速冷卻過程,甚至有必要開發新的合金系統或合金比例。例如在第七屆 Laser Additive Manu-facturing Workshop 研討會中,學者提出在 Inconel 625 合金中,增加鐵及氮含量可使 3D列印產品孔隙率降低,而矽和錳含量過高則可能造成孔隙率增加,可見合金元素含量的修正,可使材料更適用於3D列印使用。另一方面,工研院正在進行部分特用複合粉體材料研發,在粉體生產過程中將金屬基底及高硬度強化相直接複合,再搭配 3D列印高冷卻速率及淨成型的特點,完成高硬度、高強度金屬/陶瓷複合材料,此複合材相較於傳統複合材,將具有強化相細小且分布非常均勻等特點,預估可大幅提升複合材工作範圍。

金屬粉體的製備技術
2. 氣體霧化法
氣體霧化法(GA)為目前 3D列印粉體最重要的生產方式之一,如圖七所示,將熔融的金屬材料流過流嘴,而後液流受到高速氣體衝擊,使之破碎、球化、冷凝,再從桶槽下方收集。此方式由於發展成熟、合金操控方便,且能有效產出直徑 150微米以下粉體,長期以來為 3D列印粉體生產主要方式。工研院針對氣體霧化粉體之粒徑部份已進行相當程度研究,也已取得良好的成果,相信對於有粉體生產疑慮的廠家而言,可提供有效的經驗分享及研發協助。


圖十、電極感應熔融氣霧化法

5. 電漿球化法
Tekna 公司開發電漿球化法製程,將化學法或機械研磨法產出之不規則形粉體,輸送進入電漿火炬中,電漿火炬將其表面熔融,再重新凝固,如此可將不規則形粉體轉變成球型且表面平滑之粉體,如圖十一。此為一相當新穎有趣的製程,化學法與機械法生產之不規則形狀粉體,經由電漿作用後完成球化作用……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

 


圖十四、工研院輔導廠商建立之金屬粉體霧化設備

作者:葉子暘、曹申、賴宏仁/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」346期,更多資料請見下方附檔。


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