金屬3D打印技術的特點及未來主要的發展方向(skd61模具鋼是否分國產和進口的嗎)
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金屬3D打印技術的特點及未來主要的發展方向
金屬零件3D打印技術作為整個3D打印體系中最為前沿和最有潛力的技術，是先進制造技術的重要發展方向。
隨著科技發展及推廣應用的需求，利用快速成型直接制造金屬功能零件成為了快速成型主要的發展方向。
目前可用于直接制造金屬功能零件的快速成型方法主要有：選區激光熔化（SelectiveLaserMelting，SLM）、電子束選區熔化（ElectronBeamSelectiveMelting，EBSM）、激光近凈成形（LaserEngineeredNetShaping，LENS）等。
LENS是一種新的快速成形技術，它由美國Sandia國家實驗室首先提出。
其特點是:直接制造形狀結構復雜的金屬功能零件或模具；可加工的金屬或合金材料范圍廣泛并能實現異質材料零件的制造；可方便加工熔點高、難加工的材料。
LENS是在激光熔覆技術的基礎上發展起來的一種金屬零件3D打印技術。
采用中、大功率激光熔化同步供給的金屬粉末，按照預設軌跡逐層沉積在基板上，最終形成金屬零件。
1999年，LENS工藝獲得了美國工業界中“最富創造力的25項技術”之一的稱號。
國外研究人員研究了LENS工藝制備奧氏體不銹鋼試件的硬度分布，結果表明隨著加工層數的增加，試件的維氏硬度降低。
國外研究人員應用LENS工藝制備了載重植入體的多孔和功能梯度結構，采用的材料為Ni、Ti等與人體具有良好相容性的合金，制備的植入體的孔隙率最高能達到70%，使用壽命達到7-12年。
Krishna等人采用Ti-6Al-4V和Co-Cr-Mo合金制備了多孔生物植入體，并研究了植入體的力學性能，發現孔隙率為10%時，楊氏模量達到90GPa，當孔隙率為70%時，楊氏模量急劇降到2GPa，這樣就可以通過改變孔隙率，使植入體的力學性能與生物體適配。
Zhang等制備了網狀的Fe基（Fe-B-Cr-C-Mn-Mo-W-Zr）金屬玻璃（MG）組件，研究發現MG的顯微硬度達到9.52GPa。
Li通過LENS工藝修復定向凝固高溫合金GTD-111。
國內的薛春芳等采用LENS工藝，獲得微觀組織、顯微硬度和機械性能良好的網狀的Co基高溫合金薄壁零件。
費群星等采用LENS工藝成型了無變形的Ni-Cu-Sn合金樣品。
在LENS系統中，同軸送粉器包括送粉器、送粉頭和保護氣路3部分。
送粉器包括粉末料箱和粉末定量送給機構，粉末的流量由步進電機的轉速決定。
為使金屬粉末在自重作用下增加流動性，將送粉器架設在2.5m的高度上。
從送粉器流出的金屬粉末經粉末分割器平均分成4份并通過軟管流入粉頭，金屬粉末從粉頭的噴嘴噴射到激光焦點的位置完成熔化堆積過程。
全部粉末路徑由保護氣體推動，保護氣體將金屬粉末與空氣隔離，從而避免金屬粉末氧化。
目前，快速原型技術已經逐步趨于成熟，發達國家也將激光工程化凈成形技術作為研究的重點，并取得了一些實質性成果。
在實際應用中，可以利用該技術制作出功能復合型材料，可以修復高附加值的鈦合金葉片，也可以運用到直升機、客機、導彈的制作中。
另外，還能將該技術運用于生物植入領域，采用與人體具有相容性的Ni、Ti材質制備植入體，有效提升了空隙率，延長了植入體的使用時長。
SLM是金屬3D打印領域的重要部分，其發展歷程經歷低熔點非金屬粉末燒結、低熔點包覆高熔點粉末燒結、高熔點粉末直接熔化成形等階段。
由美國德克薩斯大學奧斯汀分校在1986年最早申請專利，1988年研制成功了第1臺SLM設備，采用精細聚焦光斑快速熔化成30～51μm的預置粉末材料，幾乎可以直接獲得任意形狀以及具有完全冶金結合的功能零件。
致密度可達到近乎100%，尺寸精度達20～50μm，表面粗糙度達20～30μm，是一種極具發展前景的快速成形技術。
SLM成型材料多為單一組分金屬粉末，包括奧氏體不銹鋼、鎳基合金、鈦基合金、鈷-鉻合金和貴重金屬等。
激光束快速熔化金屬粉末并獲得連續的熔道，可以直接獲得幾乎任意形狀、具有完全冶金結合、高精度的近乎致密金屬零件，是極具發展前景的金屬零件3D打印技術。
其應用范圍已經擴展到航空航天、微電子、醫療、珠寶首飾等行業。
SLM工藝有多達50多個影響因素，對成型效果具有重要影響的六大類：材料屬性、激光與光路系統、掃描特征、成型氛圍、成型幾何特征和設備因素。
目前，國內外研究人員主要針對以上幾個影響因素進行工藝研究、應用研究，目的都是為了解決成型過程中出現的缺陷，提高成型零件的質量。
工藝研究方面，SLM成型過程中重要工藝參數有激光功率、掃描速度、鋪粉層厚、掃描間距和掃描策略等，通過組合不同的工藝參數，使成型質量最優。
SLM成型過程中的主要缺陷有球化、翹曲變形。
球化是成型過程中上下兩層熔化不充分，由于表面張力的作用，熔化的液滴會迅速卷成球形，從而導致球化現象，為了避免球化，應該適當地增大輸入能量。
翹曲變形是由于SLM成型過程中存在的熱應力超過材料的強度，發生塑性變形引起，由于殘余應力的測量比較困難，目前對SLM工藝的翹曲變形的研究主要是采用有限元方法進行，然后通過實驗驗證模擬結果的可靠性。
SLM技術的基本原理是:先在計算機上利用Proe、UG、CATIA等三維造型軟件設計出零件的三維實體模型，然后通過切片軟件對該三維模型進行切片分層，得到各截面的輪廓數據，由輪廓數據生成填充掃描路徑，設備將按照這些填充掃描線，控制激光束選區熔化各層的金屬粉末材料，逐步堆疊成三維金屬零件。
EBSM技術是20世紀90年代中期發展起來的一種金屬零3D打印技術，其與SLM/DMLS系統的差別主要是熱源不同，在成型原理上基本相似。
與以激光為能量源的金屬零件3D打印技術相比，EBSM工藝具有能量利用率高、無反射、功率密度高、聚焦方便等許多優點。
在目前3D打印技術的數十種方法中，EBSM技術因其能夠直接成型金屬零部件而受到人們的高度關注。
Ramirez等采用Cu2O制備了新型定向微結構，發現在制備過程中，柱狀Cu2O沉淀在高純銅中這一現象。
劉海濤等研究了工藝參數對電子束選區熔化工藝過程的影響，結果表明掃描線寬與電子束電流、加速電壓和掃描速度呈明顯的線性關系，通過調節搭接率和掃描路徑可以獲得較好的層面質量。
鎖紅波等研究了EBSM制備的Ti-6Al-4V試件的硬度和拉伸強度等力學性能，結果表明成型過程中Al元素損失明顯，低的氧氣含量及Al含量有利于塑性提高；硬度在同一層面內和沿熔積高度方向沒有明顯差別，均高于退火軋制板的硬度水平。
利用金屬粉末在電子束轟擊下熔化的原理，先在鋪粉平面上鋪展一層粉末并壓實；然后，電子束在計算機的控制下按照截面輪廓的信息進行有選擇的熔化/燒結，層層堆積，直至整個零件全部熔化/燒結完成。
金屬3D打印材料是金屬3D打印技術發展的重要物質基礎，在某種程度上，材料的發展決定著3D打印能否有更廣泛的應用。
目前，金屬3D打印材料主要包括工程塑料、光敏樹脂、橡膠類材料、金屬材料和陶瓷材料等，除此之外，彩色石膏材料、人造骨粉、細胞生物原料以及砂糖等食品材料也在金屬3D打印領域得到了應用。
金屬3D打印所用的這些原材料都是專門針對金屬3D打印設備和工藝而研發的，與普通的塑料、石膏、樹脂等有所區別，其形態一般有粉末狀、絲狀、層片狀、液體狀等。
通常，根據打印設備的類型及操作條件的不同，所使用的粉末狀金屬3D打印材料的粒徑為1～100μｍ不等，而為了使粉末保持良好的流動性，一般要求粉末要具有高球形度。
金屬3D打印材料的研發和突破是金屬3D打印技術推廣應用的基礎，也是滿足打印的根本保證。
一是加強材料的研制，形成完備的打印材料體系。
近幾年，金屬3D打印材料發展比較快，2013年，金屬材料打印增長了28%，2014年達到30%多，約占金屬3D打印材料的12%，金屬材料以鈦、鋁、鋼和鎳等合金為主，鈦合金、高溫合金、不銹鋼、模具鋼、高強鋼、合金鋼和鋁合金等均可作為打印材料，已經廣泛應用于裝備制造和修復再制造。
但目前還沒有一個金屬3D打印材料體系，現有材料還遠不能滿足金屬3D打印的需求。
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SKD61是一種含硅、鉻、鉬、釩的中等合金熱作模具鋼經淬火、回火處理后得到組織細、晶粒適中的馬氏體組織,基本上分布著細小的炭化物,具有良好的綜合力學性能,而且淬透性能好,比較適合制造尺寸大、形狀復雜的模具。
適用于熱作，鋁、鎂、鋅、銅合金壓鑄模，切槽刀，剪刀及熱鍛動作，塑膠型模，熱作鉸刀，軋刀，一般熱作鍛模，熱螺栓模，熱間各種工具等。
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紅硬性在高溫狀態下工作的熱作模具，要求保持其團體和性能的穩定，從而保持足夠高的硬度，這種性能稱為紅硬性。
碳素工具鋼、低合金工具鋼通常能在180250℃的溫度范圍內保持這種性能，鉻鉬熱作模具鋼一般在550600℃的溫度范圍內保持這種性能。
鋼的紅硬性主要取決于鋼的化學成分和熱處理工藝。
抗壓屈服強度和抗壓彎曲強度模具在使用過程中經常受到強度較高的壓力和彎曲的作用，因此要求模具材料應具有一定的抗壓強度和抗彎強度。
在很多情況下，進行抗壓試驗和抗彎試驗的條件接近于模具的實際工作條件（例如，所測得的模具鋼的抗壓屈服強度與沖頭工作時所表現出來的變形抗力較為吻合）。
抗彎試驗的另一個優點是應變量的定是值大，能較靈敏地反映出不同鋼種之間以及在不同熱處理和團體狀態下變形抗力的差別。
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據密度公式：ρm/v，也就是說決定模具鋼質量和體積的因素決定了模具鋼密度。
那么從微觀的角度來講的話，就是分子量和分子間隙共同決定物質的密度。
體積、大小、質量、壓強、壓力和溫度影響物質密度，雖然物質密度物質的本身屬性，它是一定的，但是物質有各種狀態，當物質形成態的轉化的時候，密度才會變化。
比如水，升溫可導致水的氣化，密度變小，加壓又可以使水蒸氣從新凝結為液態水，密度變大，都知道的是鐵的密度7.8g/cm3，模具鋼材是鐵和一些微量的合金元素形成的，微量的合金元素占的比例非常少，但是在模具鋼材成形的過程會形成不同的化合物，每一種化合物所占有的空間不一樣，導致同樣體積的模具鋼材，其內部的空隙不一樣，這就是影響模具鋼密度的主要因素。
但由于模具鋼材加入的合金元素分量不到10%對模具鋼材整體的影響小，所以密度也接近鐵的密度。
模具鋼材的材料是模具制造業和物質的技術基礎。
想要模具鋼鋼材質好，首先合金成分含量要達標。
模具鋼分為多種型號，其中每種型號都有相應的合金含量標準，想要選擇好的模具鋼材，合金含量要在規定的范圍內達到標準。
在該范圍內，偏差合理，偏差小，對模具鋼性能的影響可以忽略不計。
如果不在標準范圍內，就屬于以次充好，加工出來的產品也是不合格的。
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