（3D打印手套箱）新产品，新方法：钛合金铝合金哪个更适合3D打印

导电弹性组件

帮助可拉伸电子产品量产

近日，韩国科学技术研究院科学家展示了使用3D打印成功制造出的可导电弹性组件。这种打印策略，能为大规模打印可穿戴设备的多功能、可拉伸组件铺平道路。

打印具有三维几何形状的固态弹性导体很有挑战性，因为现有“墨水”的流变特性通常只允许分层沉积。新研究利用3D打印实现弹性导体，在很大程度上得益于一种新型乳液基复合墨水，这是一种由导电弹性体复合材料、不混溶溶剂和乳化溶剂组成的乳液系统，可用于弹性导体的全方位打印。与3D打印中常用的其他墨水相比，新复合墨水具有许多优势。具体来说，它表现出黏弹性、剪切稀化和润滑性能，更好地支持复杂3D结构的打印。黏弹性也允许独立的、丝状的和直接写入的平面外三维几何形状，并提供打印稳定性。

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可拉伸导体的打印结构表现出小于100微米的最小特征尺寸和超过150%的可拉伸性。乳液中分散溶剂相的蒸发导致微结构化、表面局部导电网络的形成，从而提高了导电性。为了展示他们的3D打印方法及基于乳液的墨水的潜力，团队创建了具有可拉伸显示屏的可穿戴温度传感器。研究人员强调，将他们的方法与3D扫描技术相结合，或能创建与人体形状完美对齐的柔性电子产品，从而使用户佩戴起来更加舒适。

高通量组合打印

改变3D打印“规则”？

近日，美国圣母大学科学家发明了一种新型3D打印方法——高通量组合打印，能够控制材料的3D结构和局部成分，打印出柔韧程度呈梯度变化的材料，有望成为新材料发现和制造领域的“游戏规则改变者”。

清洁能源和环境可持续性及电子和生物医学设备的快速发展，加大了对新材料的需求，但发现一种新材料通常需要10—20年时间，如果能将这一时间缩短至不到一年甚至几个月，或许将改变新材料发现和制造的游戏规则。为此研究团队创造出一种称为高通量组合打印（HTCP）的新型3D打印方法，能以传统制造无法比拟的方式生产材料。在新工艺中，多种雾化纳米材料“油墨”会在一个打印喷嘴中混合，且在打印过程中，“油墨”中各种材料的比例也会动态改变。因此，HTCP能控制打印材料的3D结构和局部成分，并以微尺度空间分辨率生产柔韧程度逐渐变化的梯度材料。

研究团队指出，基于气溶胶的HTCP用途广泛，适用于打印各种金属、半导体和电介质，以及聚合物和生物材料。而且，它生成的组合材料具有“库”的功能，每个库包含数千种独特的成分，因此可显著加速新材料的研制。他们已经使用新方法打印出一种具有优异热电性能的半导体材料，这一材料有望在能量收集和冷却应用领域“大显身手”。而梯度材料可用作柔软的身体组织和坚硬的可穿戴或植入式设备之间的“桥梁”，在生物医学领域特别有用。研究团队接下来计划将机器学习和人工智能策略应用于HTCP，提供更丰富的数据，以加速更多新材料的研发。

一种新的3D打印方法，以微尺度空间分辨率生产出柔韧程度可呈梯度变化的材料，可以开拓更为广阔的关于材料的想象空间。高通量组合打印技术制造的组合材料可被视为一个包含数千种成分的材料库，研究人员能从中找到具有独特性能的最佳材料成分。科研人员表示，新方法能够缩短新材料的发现周期：不到一年，甚至更短，人工智能技术还能将其进一步加速。

打印材料对比

钛合金VS铝合金

钛是一种在自然界中不会作为单独元素出现的材料，必须从金红石 (TiO2) 或钛铁矿 (FeTiO3) 等矿物中提取。纯钛的提取是一个复杂的过程，涉及多个步骤。生产纯钛最广泛使用的方法是Kroll法，由美国化学家威廉·J·克罗尔于1940年开发。该方法使用氯气（Cl2）还原二氧化钛（TiO2）生产四氯化钛（ TiCl4)，然后用镁 (Mg) 还原。虽然 Kroll 法在生产纯钛方面很有效，但它是一个需要大量能源的高成本的过程。此外，钛的高反应性使其难以作为纯金属获得，纯度为99.9% 的样品被认为是商业纯钛。因此，它通常与其他元素结合使用以形成合金。

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钛具有许多特性，因此可以用于许多领域。它通常以合金形式使用，但由于其高生物相容性，纯提取钛常被用于医疗行业。其主要特点是机械强度高、密度低、耐腐蚀性能优良、刚性高。

用于3D打印的钛合金主要有以下几种：

Ti6Al-4V，5 级：最重要和最常见的钛合金。由于其高强度和耐用性，它被用于增材制造。该合金由钛、铝和钒组成，可承受高温和腐蚀环境。

Ti6Al-4V，23 级：由于其生物相容性，常用于医疗植入物和假体。

Ti Beta 21S：比传统钛合金更坚固，也更耐氧化和变形。它非常适合骨科植入物和航空发动机应用。Beta 钛在正畸学中备受推崇。

Cp-Ti（纯钛），1 级、2 级：由于钛与人体的生物相容性，这种合金在医疗行业有着广泛的应用。

TA15：一种几乎完全由钛制成的合金，其中添加了铝和锆。由这种合金制成的部件非常坚固且耐高温，非常适合制造飞机和发动机的坚固部件。相对于它们的强度，它们也很轻。

铝是一种在轻质和强度之间提供极佳折衷的金属。除了耐腐蚀外，它还可以焊接。它的纯净状态非常罕见，因此它以合金的形式使用，其中含有可改善其物理和机械性能的金属，例如硅和镁。要想获得纯铝，需要首先使用Bayer 法从铝土矿中获得氧化铝。矿石经洗涤粉碎，溶于烧碱，过滤得到纯氢氧化铝。然后加热得到氧化铝粉末。然后使用 Hall-Heroult 工艺，对氧化铝进行电解还原以获得纯铝。铝合金比纯铝更常见，并用于许多工业应用。此外，它们还具有非常好的强度重量比以及非常好的抗疲劳和耐腐蚀性能。它们还具有可回收性、导热性和导电性，并且毒性低。

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用于铝3D打印的主要合金有以下几种：

AlSi10Mg：这是由硅和镁形成的最常见的合金。它可用于制造坚固和复杂的零件，并用于制造外壳、发动机零件和生产工具。

Al2139：最强的铝合金，由于其重量轻、强度高和耐化学性，非常适合汽车等行业。它已被美国空军、梅赛德斯-奔驰和空中客车等组织使用。这种材料的美妙之处在于它专为增材制造而设计，性能优于市场上的许多其他合金。

Al 7000系列：这是一个著名的粉末合金系列，具有高抗拉强度和耐低温性。

Al 6061 & Al 7075：最近，3D 制造商使用这两种合金取得了很好的效果。6061 的抗拉强度和硬度低于 7075。另一方面，7075 具有比 6061 铝更好的抗冲击性和更小的变形。

A201.1 : 它是 200 系列铜铝合金的一部分，以非常坚固着称。但是，它们很难铸造。这些合金推荐用于强度重量比至关重要的应用，例如运输和航空航天。

以粉末形式出现

应用于不同的领域

在大多数情况下，钛和铝以粉末形式出现，但它们也可以线材形式提供，例如 Virtual Foundry 或 Nanoe 提供的钛或铝丝。要用这些金属 3D 打印零件，必须首先获得合金粉末，这主要使用两种技术完成：等离子雾化或气体雾化。等离子体（电离气体）雾化是一种使用高温、能量和热源、惰性介质（例如氩气）和高速雾化金属的过程，这个工艺生产出高质量的耐磨粉末。而气体雾化使用空气、氩气或氦气作为气体来破碎熔融材料流，这是一种非常有效的工艺，广泛用于生产细小的球形金属粉末。

在冷喷涂工艺中，金属材料也以粉末形式存在，但由于在这种情况下不必熔化或融合，冷喷涂可避免热变形，并且不需要保护气氛。当铝和钛用于所谓的间接 3D 打印工艺（例如 FDM 或粉末粘合）时，也需要烧结。在打印阶段之后，部件必须经过脱脂过程以将聚合物与金属粘合剂分离。然后将部件在烧结炉中加热到特定温度，刚好低于熔化温度，这将巩固最终物体。这导致部件的孔隙率非常低，因为粘合剂所在的空腔在此过程中被压缩，从而导致零件收缩。

航空航天业发现使用钛的增材制造有很大好处。它是制造航空航天部件（如喷气发动机和燃气轮机）的理想材料，因为它可以显著减轻高应力结构的重量。钛在增材制造中应用的一个例子是波音公司与 Norsk Titanium 合作，为 787 梦想飞机制造大型结构部件。这一过程中使用的技术是 DED，据报道，它比基于粉末的系统快 50 到 100 倍，并且比锻造使用的钛少 25% 到 50%，每架飞机可能节省高达 300 万美元。

钛目前正通过 3D 打印用于太空探索，但铝在工业中的应用却成倍增加。例如，波音公司正在使用在冷却阶段涂有纳米颗粒的铝合金生产 3D 打印部件。这使得焊接极其坚固的铝合金成为可能，而不会在高温时开裂。制造的部件更轻，使飞机能够有效地使用燃料，并在相同数量的燃料下飞行更远的距离。

而铝在汽车行业中更为常见。保时捷使用 3D 打印为其旗舰 911 车型 GT2 RS 制造高性能铝制活塞。使用这项技术，700 马力的双涡轮增压发动机可以获得高达 30 马力的功率并提高效率。此外，在 2020 年，保时捷生产了用于电动变速箱的全铝 3D 打印外壳，该外壳通过了公司的所有质量和负载测试。最后，钛在医疗行业是一种非常有吸引力的材料，因为它具有高强度和耐腐蚀性以及生物相容性，这使其成为骨科和牙科植入物的理想选择。

金属粉末的3D打印

先保障打印安全

如果从实际制造角度来说，金属3D打印的每个阶段都会产生不同的污染源（或物质）进而会造成特定的危害。金属3D打印用的金属粉末，粒径分布通常为几十微米，可被吸入肺或肺泡。对于低密度的钛、铝及其合金都是反应性金属，风险尤其大，必须受到粉尘浓度的特定限制；其他金属粉末，如钢或其他含镍合金，则被危险物质指令分类为致癌、致突变和生殖毒性材料。对粉末颗粒的长期接触和吸入会给操作人员身体健康带来一定隐患。

不仅如此，在组件的打印过程中危险同样存在，熔化过程产生的废气除一部分会被带入过滤系统，仍可能有一部分被排出到打印系统的外置空间，从而造成室内环境的污染。随同废气的排出，一部分惰性气体如氮气尤其是氩气，也是风险的来源。设备的维护过程，如过滤系统的清洁，其中的粉尘、灰烬比金属颗粒更加细小，若处理不当，很可能会因为成分的稳定性问题发生火灾甚至爆炸。

基于对SLM工艺过程的整体评估，德国Bayreuth大学开发并评估了粉末防护的特定方案，其重点在于安全防护反应性材料Ti6AlV4。为减少危害而采取的保护措施由STOP原则确定优先级顺序，实施策略要基于流程、地点以及员工保护等关键因素。

金属粉末的处理必须格外小心，并且在可能的情况下，应在保护性气氛中进行。目前，全封闭的工艺流程正在被设备制造商所重视，以SLM Solutions为代表的金属打印机品牌商从粉末的灌装、清理甚至中途加装等所有流程均实现了全封闭操作，这种空间分割或封装最大程度的减少了粉尘的暴露和危害。在这种情况下，3D打印手套箱就成为了一种优先的设备选择。

（大型金属3D打印手套箱）

3D打印安全保护

3D打印技术作为一项前沿性、先导性非常强的新兴技术，对传统制造业的工艺改造和新材料的广泛应用具有颠覆性的意义和作用。我们制造的3D打印手套箱（增材制造保护手套箱）针对航空航天特殊零部件的加工所需要的环境而设计的：3D打印设备一般采用送粉成型或铺粉成型两种，每种成型设备其需要的手套箱设计要求不同，为此需要啊根据不同需求来设计手套箱提供可靠的解决方案。

金属3D打印惰性气体保护系统是一套高性能、高品质的自动吸收水、氧分子的超级净化防护手套箱，提供一个纯化工作环境需求的密闭循环工作系统，可以满足特定清洁要求应用的1ppm的O2和H2O惰性的氛围环境。实现了将选择性激光溶化装置本体放置在一密封箱体内，该密闭箱体与多级粉尘手机装置和风循环装置形成闭环，氩气在该闭环内循环，系统中的气氛水含量达到小于1PPM指标，氧含量达到小于1PPM指标，实现超高纯工作气氛的环境，加工的产品可直接应用，减少再处理环节，是一套满足科研开发而设计的经济型循环净化系统。

（大型金属3D打印手套箱）

技术优势

解决3D打印手套箱大体积密封的可靠性。

解决3D打印手套箱信号线及动力线高度集成进箱密封防干扰问题。

解决3D打印手套箱工作时烟尘净化问题及过滤器更换周期及寿命问题。

人性化专业化设计，箱体外形美观，箱体上大型门的密封性极好，开启方便简单。

解3D打印手套箱送粉器送粉进气或铺粉设备镜头吹气与手套箱箱体压力控制。

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