【科普+讨论】微纳之间，千里之外——从3D打印谈航空材 ...

2015-9-30 00:16 上传

那么在表面熔覆的这一层可以厚可以薄，如果材料不容易脱落，多熔一层做厚一些隔热效果自然好一些。而且这种方法有个好处，不仅可以把陶瓷什么的弄到金属上面，也可以把别的金属弄到另一种金属上，反正基本你想弄啥上去都可以弄上去试试。于是有些蛋疼的人就弄点跟基材相同的材料或者别的金属什么的在上面一层一层的熔，一层一层的加，他就做出了大块材料。于是他发现他不需要再用坑爹的砂模铸造，造模子，熔化金属，把金属倒进模子，凝固取模等等繁琐的工序和设备了，他只要在这一层一层的在自己想要的形状上加材料就能做出来自己想要的形状的东西了，这就是最原始的3D打印。其在学术界的叫法就叫增材制造（additive manufacturing），我想从上面的表述中大家应该也有所体会。传统的加工方法基本是做减法（车铣刨磨），而增材制造就是做加法，哪儿需要往哪加。

2015-9-30 00:20 上传

前面说到的金属增材制造由表面熔敷发展来的现在叫直接激光织构/喷粉增材制造（DLF），指的是粉末或丝材喷入激光束/熔池的方法。一般送粉喷嘴与激光头同轴安装于机械手上，工件和基板安装于有一定自由度的制造台上，激光走出需要的路径同时将粉末喷入，完成一层的制造。一般来说这种工艺的激光功率比较大，生产速度也比较快。但是精度比较差，表面粗糙，部分粉末不能进入熔池熔化导致浪费。而另一种工艺是选择性激光融化/铺粉增材制造（SLM）。这种工艺先将粉末均匀地铺到制造台上，再用激光扫描需要的区域，完成一层零件的制造，然后铺粉系统再铺一层粉末以备下一层扫描laser。由于使用的粉末细，每层厚度小，激光能量和光斑直径小，所以生产速度慢但是精度高，对于要求不高的应用场合甚至可以直接使用。这里说明一下，很多人把选择性激光烧结（SLS）和选择性激光熔化搞混，认为3D打印金属是烧结，其实是没搞清楚原理。因为做熔化的设备也可以用来做烧结，两者的差别只是能量密度的大小区别，然而烧结容易熔化难，所以很多人拿烧结出来的样品说这是3D打印（当然也没错），大家一看全是孔怎么用？！就说3D打印是烧结laser，咱也是很无奈。说到这里就说到了大家非常关心的问题：增材制造做出来的零件到底性能怎么样？到底能不能用？所谓达到锻件水平到底靠不靠谱？以及到底用了没有的问题。
fig.7 孔洞与裂纹在增材制造中是一对难以调和的矛盾，下图为两种不同参数下增材制造的样品界面。工业界的同学可以看看这样的孔隙率能不能接受

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2015-9-30 00:23 上传

要搞清楚上面的这些问题，需要不少材料学的基本知识，笔者不可能吧《金属学与热处理》或者《材料科学基础》在这儿讲一遍，所以只能大概介绍一下一些基本原理，笔者水平有限也不一定能讲清楚。

我们很小很小的时候就知道金属是由一个个原子组成，那他们是不是一个一个规规矩矩地排列起来就成了我们见到的金属了呢？是，又不是……（别打我~我不是故意的）一般来说一种材料，在同一状态下（材料学中叫一个相（phase））其原子排列的规律是一样的。因为原子间有相互作用力，就像每个人有自己的私人空间又需要与旁人有一定沟通，否则会孤独而死。而原子都很懒，都趋于停留在各方力量最平衡的位置上安逸地睡觉，其实就像laser人一样需要与别人保持一个合适的距离。那原子就按这个最近距离拍下去不就成为常见的金属了？不是的，原子也不愿意裸奔，他们需要一个住着的房子，他们在每个房子里面就按最合适距离整齐排列，房子与房子之间的位置关系就不一定了，基本上就像我们看见的城中村/握手楼，反正沾满就行。这些房子材料学中叫晶粒，在一个晶粒里面原子排列都是一样的，晶粒与晶粒之间的界线上原子排列就有一定的角度差。
fig.8

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2015-9-30 00:23 上传

这个房子（晶粒）的大小可大可小，小的有几个纳米（纳米材料），大的可以是整个部件（单晶涡轮叶片、单晶硅）。那么为什么要说这些房子很重要呢，因为这些房子的墙（晶粒与晶粒间的界——晶界）有原子排列的差别，这个差别不符合最合适距离的原则，所以这里的能量比较高，原子不容易越过，对原子来说是一种阻碍，所以谓之墙。那么单个晶粒（房子）越小的材料，墙就越密集，原子要移动就越困难。材料宏观上的变形（就是我们掰弯直男，啊不金属），实际上就是微观上原子的移动或者离开原有的最合适位置laser。既然墙多了，自然掰弯的难度就大了咯，专业叫法叫强度高了，数据表示为几百或几千兆帕（当然实际上没那么简单，材料的破坏主要是缺陷的运动）。这就是材料学上常用到的细晶强化，例如Q345钢轧制出薄板，压缩的多，房间（晶粒）比较小，屈服强度要求大于345兆帕，而厚板压缩得没这么厉害，房间大，所以要求的强度为325兆帕。
fig.9

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2015-9-30 00:24 上传

前面说到的金属增材制造由表面熔敷发展来的现在叫直接激光织构/喷粉增材制造（DLF），指的是粉末或丝材喷入激光束/熔池的方法。一般送粉喷嘴与激光头同轴安装于机械手上，工件和基板安装于有一定自由度的制造台上，激光走出需要的路径同时将粉末喷入，完成一层的制造。一般来说这种工艺的激光功率比较大，生产速度也比较快。但是精度比较差，表面粗糙，部分粉末不能进入熔池熔化导致浪费。而另一种工艺是选择性激光融化/铺粉增材制造（SLM）。这种工艺先将粉末均匀地铺到制造台上，再用激光扫描需要的区域，完成一层零件的制造，然后铺粉系统再铺一层粉末以备下一层扫描laser。由于使用的粉末细，每层厚度小，激光能量和光斑直径小，所以生产速度慢但是精度高，对于要求不高的应用场合甚至可以直接使用。这里说明一下，很多人把选择性激光烧结（SLS）和选择性激光熔化搞混，认为3D打印金属是烧结，其实是没搞清楚原理。因为做熔化的设备也可以用来做烧结，两者的差别只是能量密度的大小区别，然而烧结容易熔化难，所以很多人拿烧结出来的样品说这是3D打印（当然也没错），大家一看全是孔怎么用？！就说3D打印是烧结laser，咱也是很无奈。说到这里就说到了大家非常关心的问题：增材制造做出来的零件到底性能怎么样？到底能不能用？所谓达到锻件水平到底靠不靠谱？以及到底用了没有的问题。
fig.7 孔洞与裂纹在增材制造中是一对难以调和的矛盾，下图为两种不同参数下增材制造的样品界面。工业界的同学可以看看这样的孔隙率能不能接受

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2015-9-30 00:23 上传

要搞清楚上面的这些问题，需要不少材料学的基本知识，笔者不可能吧《金属学与热处理》或者《材料科学基础》在这儿讲一遍，所以只能大概介绍一下一些基本原理，笔者水平有限也不一定能讲清楚。

我们很小很小的时候就知道金属是由一个个原子组成，那他们是不是一个一个规规矩矩地排列起来就成了我们见到的金属了呢？是，又不是……（别打我~我不是故意的）一般来说一种材料，在同一状态下（材料学中叫一个相（phase））其原子排列的规律是一样的。因为原子间有相互作用力，就像每个人有自己的私人空间又需要与旁人有一定沟通，否则会孤独而死。而原子都很懒，都趋于停留在各方力量最平衡的位置上安逸地睡觉，其实就像laser人一样需要与别人保持一个合适的距离。那原子就按这个最近距离拍下去不就成为常见的金属了？不是的，原子也不愿意裸奔，他们需要一个住着的房子，他们在每个房子里面就按最合适距离整齐排列，房子与房子之间的位置关系就不一定了，基本上就像我们看见的城中村/握手楼，反正沾满就行。这些房子材料学中叫晶粒，在一个晶粒里面原子排列都是一样的，晶粒与晶粒之间的界线上原子排列就有一定的角度差。
fig.8

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2015-9-30 00:23 上传

这个房子（晶粒）的大小可大可小，小的有几个纳米（纳米材料），大的可以是整个部件（单晶涡轮叶片、单晶硅）。那么为什么要说这些房子很重要呢，因为这些房子的墙（晶粒与晶粒间的界——晶界）有原子排列的差别，这个差别不符合最合适距离的原则，所以这里的能量比较高，原子不容易越过，对原子来说是一种阻碍，所以谓之墙。那么单个晶粒（房子）越小的材料，墙就越密集，原子要移动就越困难。材料宏观上的变形（就是我们掰弯直男，啊不金属），实际上就是微观上原子的移动或者离开原有的最合适位置laser。既然墙多了，自然掰弯的难度就大了咯，专业叫法叫强度高了，数据表示为几百或几千兆帕（当然实际上没那么简单，材料的破坏主要是缺陷的运动）。这就是材料学上常用到的细晶强化，例如Q345钢轧制出薄板，压缩的多，房间（晶粒）比较小，屈服强度要求大于345兆帕，而厚板压缩得没这么厉害，房间大，所以要求的强度为325兆帕。
fig.9

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2015-9-30 00:24 上传

好东西，LZ继续

好东东。如果能打印人体器官就美了。

不举的党与军 发表于 2015-9-30 07:00
好东东。如果能打印人体器官就美了。
牙齿、下巴、心脏支架等都在3D打印呢！

“其实是新材料开发吃力不讨好没人干……”，这是典型的急功近利的表现嘛，在现在的中国很正常！

多谢楼主科普

学习了，这个应该是飞扬军事上首发吧。

坐等更新，，，，，

不举的党与军 发表于 2015-9-30 07:00
好东东。如果能打印人体器官就美了。
这个不人道，而且全世界的人没一个人的器官是一模一样的

oaki911 发表于 2015-9-30 08:26
牙齿、下巴、心脏支架等都在3D打印呢！
想易容么？？

3D打印技术还是不错的

现在3D打印套用在工业上就很不错

minimi001 发表于 2015-9-30 10:44
现在3D打印套用在工业上就很不错
不是说3D打印是工业4.0的开端吗

    谢谢楼主科普，和人争论过3D打印的问题，当时还不清楚选择性激光烧结（SLS）和选择性激光熔化。
    选择性激光熔化，不知形成的晶粒的尺寸是多少？晶粒边界的缺陷如何？做成的工件材料性能和铸造、锻造的比如何？

不举的党与军 发表于 2015-9-30 07:00
好东东。如果能打印人体器官就美了。
肉怎么打印？

minimi001 发表于 2015-9-30 10:42
想易容么？？
先打印个模型，再后处理，翻模铸造，下巴必须是钛合金的，牙齿的根棒也是钛合金，牙冠是陶瓷的，心脏支架是记忆合金

lxjcad2012 发表于 2015-9-30 08:43
“其实是新材料开发吃力不讨好没人干……”，这是典型的急功近利的表现嘛，在现在的中国很正常！
制度的缘故嘛~所有的项目都是3年出中期成果，5年结项，如果不是863 973这种，5年没大成果就不会有人投钱了

克林霉素磷酸钠 发表于 2015-9-30 12:03
制度的缘故嘛~所有的项目都是3年出中期成果，5年结项，如果不是863 973这种，5年没大成果就不会有人投钱 ...
这又恰恰说明了基础研究的重要性！

minimi001 发表于 2015-9-30 10:42
想易容么？？
目前是医疗，以后可能易容比如改变了面部骨架轮廓就识别不出了。

克林霉素磷酸钠 发表于 2015-9-30 11:59
肉怎么打印？
仿肉、皮肤、骨骼的材料很多，可以打印。

啥时候3D打印真的大规模用在工业领域了，那真的是工业革命级别的进步了

这个太专业了，反而没多少人爱看了。
希望我们把3D打印技术发扬光大。

克林霉素磷酸钠 发表于 2015-9-30 11:59
肉怎么打印？
还真有“打印”生物有机组织的研究项目在进行，不过这个“打印’和传统意义的打印以及增材制造的”打印“的区别就更大了，套用一个名称而已

oaki911 发表于 2015-9-30 13:41
仿肉、皮肤、骨骼的材料很多，可以打印。
仿肉又不是器官，人工皮肤到现在都是高分子材料，骨骼不是钛合金就是不锈钢，型号多的很，犯不上打印

好文。现在这个粉那个粉吹牛打屁的帖子太多了

期待楼主更新！

期待持续更新

大好科普贴！严重狂顶！

专业好文，通俗易懂，支持楼主！

嗯，这样一来J11D空重6吨也就可以解释过去啦。。。传统物理定律已经阻止不了3D激光打印技术啦

激光打印好是好就是太慢

2015-9-30 18:19 上传

所以理论上说，增材制造是完全可以超过锻造的，那么实际上怎么样呢？我们下回分解~

lxjcad2012 发表于 2015-9-30 08:43
“其实是新材料开发吃力不讨好没人干……”，这是典型的急功近利的表现嘛，在现在的中国很正常！
国外也是一样，搞个5年大项目希望加速材料研发，其实5年结束了还是没啥新材料出现……

不举的党与军 发表于 2015-9-30 07:00
好东东。如果能打印人体器官就美了。
打印人体器官是有的，不过跟打印金属不是一回事儿。据说是给个模，然后加营养液让细胞长，目前只能打简单的器官像耳朵、气管、食管什么的。我也不是怎么了解

laser911 发表于 2015-9-30 18:24
打印人体器官是有的，不过跟打印金属不是一回事儿。据说是给个模，然后加营养液让细胞长，目前只能打简单 ...
如果能打印人体，批量生产生化人战士才是王道。

minimi001 发表于 2015-9-30 10:42
想易容么？？
确实是“易容”，主要是用钛合金打印这些支架，然后植入当做骨头。主要给骨头先天或后天缺失的人使用，因为要根据不同人的头型专门设计和制造，而且需要很多孔隙给组织生长，所以正好用增材制造（选择性激光熔化）非常合适。

weiwotianyuan 发表于 2015-9-30 10:55
不是说3D打印是工业4.0的开端吗
不知道呃，看新闻都说4.0是联网、智能什么的。不过个人认为3D打印是4.0开端有点过，虽然前途不错但不至于是下一个工业革命