Heraeus展出輕量大件3D打印玻璃金屬，突破3D打印界限

來源： 3D打印世界

金屬粉末專家Heraeus在芝加哥的Automate 2019展會上展示了由非晶態(tài)金屬（也稱為玻璃金屬）制成的3D打印齒輪。齒輪采用標準SLM系統(tǒng)進行3D打印，采用Heraeus的材料。通過這次全球首發(fā)，Heraeus正在突破3D打印的界限，為各種行業(yè)開辟全新的設(shè)計可能性——從自動化解決方案和機器人到航空、醫(yī)療技術(shù)和汽車行業(yè)。

Heraeus打印的非晶態(tài)金屬齒輪采用增材制造，重量為2千克。由于所需的高冷卻速率主要超過1000開爾文/秒，以前非晶態(tài)金屬只能生產(chǎn)小部件。由于齒輪的拓撲結(jié)構(gòu)在開發(fā)過程中也得到了優(yōu)化，因此與傳統(tǒng)制造版本相比，材料和工藝專家能夠?qū)⒅亓繙p輕50％。Heraeus現(xiàn)在已經(jīng)在尺寸和復(fù)雜性方面重新定義了現(xiàn)有的技術(shù)限制，徹底改變了設(shè)計可能性，例如自動化行業(yè)和機器人技術(shù)。

采用Heraeus的特殊材料進行高精度的逐層生產(chǎn)，減少材料使用，減輕重量并降低成本。使用3D打印還可降低總體生產(chǎn)成本。使用傳統(tǒng)方法，制造復(fù)雜零件需要許多工藝和制造步驟。必須生產(chǎn)幾個單獨的部件再組裝。但是，3D打印機可以在一個過程中完成此任務(wù)。

非晶金屬是固體金屬材料，通常是合金，具有無序的原子級結(jié)構(gòu)。大多數(shù)金屬在固態(tài)下是結(jié)晶的，這意味著它們具有高度有序的原子排列。非晶金屬是非結(jié)晶的并且具有玻璃狀結(jié)構(gòu)。但是與普通玻璃不同，非晶金屬具有良好的導(dǎo)電性。非晶態(tài)金屬的特征在于良好的耐腐蝕性，優(yōu)異的耐磨性和聚合物的彈性。它們還具有軟磁特性，易于磁化和消磁。

大部分的金屬在冷卻時都會結(jié)晶，把它們的原子排列成有規(guī)則的圖案，叫做晶格 (lattice)。但如果結(jié)晶不出現(xiàn)，原子便會隨機排列(random arrangement)，成為金屬玻璃 (metallic glass)。

普通玻璃的原子也是隨機排列，但它不是金屬。金屬玻璃并不透明，它擁有獨特的機械 (mechanical)和磁性(magnetic)特質(zhì)，不易破碎和不易變形 (deform)。它是制造變壓器、高爾夫球棒和其他產(chǎn)品的理想物料。

目前生產(chǎn)的金屬玻璃是較薄和較細的，因為金屬冷卻時很快便會結(jié)晶，所以需要非�？斓睦鋬觥Ｃ绹�約翰斯鶴健士大學(xué)(John Hopkins University)的研究員何納喬(Todd Hufnagel)，正研究如何生產(chǎn)有超級強力、彈力和磁力特質(zhì)，但是較為大塊的金屬玻璃。這種新的金屬會保持固體而不會在高溫下結(jié)晶，這將會適于制造引擎零件及軍用武器。

用鐵造的金屬玻璃是很好的磁性物質(zhì)，而且由于加熱后便變得柔軟，容易鑄造成不同形狀的制成品。

圖中所見是何納喬利用感應(yīng)熔爐 (induction furnace) ，很快的將金屬混合物溶化，變?yōu)榻饘俨Ａ?。金屬玻璃的出現(xiàn)可以追溯到20世紀30年代，Kramer第一次報道用氣相沉積法制備出金屬玻璃，在1950年，冶金學(xué)家學(xué)會了通過混入一定量的金屬--諸如鎳和鋯一去顯出結(jié)晶體，1960年，美國加州理工學(xué)院的Klement和Duwez等人采用急冷技術(shù)制備出Au75Si25金屬玻璃。當合金的薄層在每秒一百攝氏度的速率下冷卻時，它們形成金屬玻璃。但因為要求迅速冷卻，它們只能制造成很薄的條狀物、導(dǎo)線或粉末。

最近，科學(xué)家通過混合四到五種不同大小原子的元素，去形成諸如條狀的多種多樣的金屬玻璃。變化原子大小使它混合而形成玻璃從而變得更韌。這些新合金的用途之一是在商業(yè)上用來制造高爾夫球棍的頭。

在國家科學(xué)基金和美國軍隊研究總局的支助下，Hufnagel已建立了試驗新合金的實驗室。他試圖創(chuàng)建一種在高溫下將依然為固體并不結(jié)晶的合金金屬玻璃，使它能成為發(fā)動機零件有用的材料。該材料也可用于穿甲炮彈等軍事場合。不象大多數(shù)結(jié)晶金屬炮彈，在沖擊后從平的形狀變?yōu)槟⒐叫螤�，Hufnagel相信;金屬玻璃彈頭的各邊將轉(zhuǎn)向并給出最好穿透力的削尖射彈。

制造厚的、笨重形狀的金屬玻璃是困難的，因為大多數(shù)金屬在冷卻時會突然出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象，制造玻璃，金屬必會變硬，因為晶格成形時會改變，從純金屬--諸如銅、鎳去創(chuàng)建玻璃，它將以每秒鐘一萬億攝氏度的速率下冷卻。

來源： 3D打印世界