可重復使用的3D金屬打印基板助力成本降低

一篇來自美國密歇根理工大學開放可持續技術（MOST）實驗室的研究人員AmberleeS.Haselhuhn、BasWijnen、GeraldC.Anzalone、PaulG.Sanders和JoshuaM.Pearce發表的一篇論文在最近引起了業界不小的重視。這篇名為《氣體金屬弧焊金屬3D打印的基板解除系統的原位生成（In Situ Formation of Substrate Release Mechanisms for Gas metal Arc Weld metal 3-D Printing）》的論文主要討論了金屬3D打印工藝中基板去除的問題，他們指出制作和采用可重復使用的基板是十分可行的。

研究人員專門研究在氣體金屬弧焊金屬3D打印過程中一塊基板的重新使用。通過該項研究制造出來的解除系統非常適合在氣體金屬弧焊（GMAW）技術中使用。在這里GMAW被認為是一種更加經濟實惠的金屬3D打印形式，在該技術中，由氣體保護的金屬焊絲通過一個由電極加熱的可消耗噴嘴給料，而熱量來自于焊絲和基板之間生成的電弧。

在這次研究中，研究人員利用了專門針對GMAW技術的開源式3D打印機，在這臺機器上一個三軸的臺子被用來固定基板，而焊機則用于熔化鋁或者鋼材進行逐層3D打印。通過這樣的描述我們不難想象，成品的結果一定會有基板牢牢結合在一起。

“正如你們所知，金屬3D打印總是需要后期處理。因為最起碼，你需要通過切割把打印的金屬部件從金屬基板拿下來?！泵苄砉ご髮W副教授JoshuaM.Pearce博士稱，“目前，我們已經解決了鋁和鋼的問題，這里需要使用幾種技術，其中包括改變覆蓋氣體、表面預處理和基板的選擇，以引起金屬間化合物——因此，我們只需用一把錘子就能把3D打印對象從基板上敲下來，而這個基板也可以重新使用”。

針對這樣的“結合”，研究人員就是希望找到重復利用的有效辦法和合適材料。研究中，他們通過分析孔隙率、硬度遍歷，以及彈性和剪切模量的測定，選擇了氧化鋁、氮化硼、氮化鈦三種不同材料用于3D打印鋁金屬的基板解除實驗。研究人員通過操縱焊接級氬保護氣體和RC25（這是一種含有25%二氧化碳的混合氣體，用作3D打印鋼的時候的一種“覆蓋氣體”）保護氣體，找出了如何減少和修正粘連問題的方法。關于不同基板的研究，研究人員對每個“處理條件”分別準備了5個樣本。在3D打印鋁時使用了一系列的材料，并分別分為涂覆和未涂覆作為對照。而針對鋼的基板所有的都沒有涂覆。在3D打印過程中使用的是標準的鋁和鋼制線材。

在金屬3D打印過程中，研究人員會變更3D打印路徑以提高打印質量，在打印鋁金屬的時候，每層之間有60秒的停頓；在3D打印鋼的時候與之類似但是方法卻有所變化。對于這一點，研究人員在他們的論文中稱：“所有使用的基板解除系統都最小化了焊接滲透，并且在與基板銜接的地方形成了一個比較脆的區域，這樣只需以最小的沖擊就能將樣品從基板上去除?！蓖ㄟ^這種技術，再加上允許層冷卻，然后再用水進行淬火，研究人員發現基板在這樣的情況下更容易被除去。研究人員使用數顯卡尺等對每組五個樣品都進行了試驗和測量，他們發現從基板上去除3D打印金屬部件而不折斷任何層，打印對象也沒有產生翹曲，基板在此過程中相對沒有受到影響，而剩下的材料仍然保持著“清潔和光澤。”經過檢查孔隙后，數據顯示整體的孔隙率低于百分之五，而鋼基板樣品中的孔隙率則稍微低一點。

此外，研究人員還可以通過打印設置，以及操縱和促進氧化物的釋放，還有促進鋁-鐵化合物的形成等方法使得鋁質樣品更容易從鋼質基板上去除，而且并不需要切割工具。人們發現，氧化鋁、氮化硼和氮化鈦是相對較為有效的脫模劑?？傮w而言，這些研究成果對于那些使用金屬材料進行3D打印的企業工廠，無論是小型企業還是大型工業實體，都會有所很大的幫助。這樣的技術方法不僅會使整個金屬3D打印過程更加簡單，并且，可重復使用的基板也幫助用戶節省了更多的資源成本。