科学家找到了将金属3D打印对象从基板上去除的方法
日前，密歇根理工大学开放可持续技术（MOST）实验室的研究人员发表了一篇论文，名为《气体金属弧焊金属3D打印的基板解除系统的原位生成（In Situ Formation of Substrate Release Mechanisms for Gas Metal Arc Weld Metal 3-D Printing）》，该论文主要讨论了在金属3D打印工艺中基板去除的问题。研究人员指出，制作和采用可重复使用的基板是非常可行的。
该论文的作者Amberlee S. Haselhuhn、Bas Wijnen、Gerald C. Anzalone、Paul G. Sanders和Joshua M. Pearce专门研究在气体金属弧焊金属3D打印过程中一块基板的重新使用。通过该项研究制造出来的解除系统非常适合在气体金属弧焊（GMAW）技术中使用。在这里GMAW被认为是一种更加经济实惠的金属3D打印形式，在该技术中，由气体保护的金属焊丝“通过一个由电极加热的可消耗喷嘴给料，而热量来自于焊丝和基板之间生成的电弧。”
基板与金属3D打印对象界面的微观图像
在本次研究中，研究人员采用了一种专门针对GMAW技术的开源设计3D打印机，在这台机器上一个三轴的台子被用来固定基板，而焊机则用于熔化铝或者钢材进行逐层3D打印。显而易见，由此形成的3D对象最终会牢牢与基板结合在一起。而研究人员的目的就是创建一个可重复使用的基板，而不是像目前这样，只有切开基板才能把3D打印的金属对象取下来。
“正如你们所知，金属3D打印总是需要后期处理。因为最起码，你需要通过切割把打印的金属部件从金属基板拿下来。”密歇根理工大学副教授Joshua M. Pearce博士称，“目前，我们已经解决了铝和钢的问题，这里需要使用几种技术，其中包括改变覆盖气体、表面预处理和基板的选择，以引起金属间化合物——因此，我们只需用一把锤子就能把3D打印对象从基板上敲下来，而这个基板也可以重新使用”。
一开始，研究人员通过分析孔隙率、硬度遍历，以及弹性和剪切模量，选择了氧化铝、氮化硼、氮化钛三种材料，连同金属间化合物和氧化物，用于3D打印铝金属的基板解除实验。
通过操纵保护气体，研究人员找出了如何减少和修改粘连问题的方法。在研究中，3D打印对象都是由铝和钢制成的，同时采用了焊接级氩保护气体和RC25（这是一种含有25％二氧化碳的混合气体，用作3D打印钢的时候的一种“覆盖气体”）。
另外研究人员还准备了多种基板，每个“处理条件”准备了5个样本，在3D打印铝时使用了一系列的材料，并分别分为涂覆和未涂覆作为对照。而针对钢的基板所有的都没有涂覆。在3D打印过程中使用的是标准的铝和钢制线材。
交替3D打印路径以提高质量
在金属3D打印过程中，研究人员会变更3D打印路径以提高打印质量，在打印铝金属的时候，每层之间有60秒的停顿；在3D打印钢的时候与之类似但是方法却有所变化，即：
- 打印第一层后，暂停十分钟
- 打印第3和第5层后，暂停60秒
- 每隔一层暂停两分钟
“所有使用的基板解除系统都最小化了焊接渗透，并且在与基板衔接的地方形成了一个比较脆的区域，这样只需以最小的冲击就能将样品从基板上去除。”研究人员在他们的论文中称。
通过这种技术，再加上允许层冷却，然后用水进行淬火，研究人员发现基板更容易被除去。使用数显卡尺，研究人员对每组五个样品的每一个都进行了测量。使用摆锤式冲击试验机，它们能够从基板上去除3D打印金属部件而不折断任何层。打印对象没有产生翘曲，基板在此过程中相对不受影响，而剩下的材料仍然保持着“清洁和光泽。”经过检查孔隙后，数据显示整体的孔隙率低于百分之五，而钢基板样品中的孔隙率稍微少一点。
此外，研究人员可以通过打印设置，操纵和促进氧化物的释放，以及促进铝-铁化合物的形成，这样铝质样品更容易从钢质基板上去除——而且不用切割工具。人们发现，氧化铝、氮化硼和氮化钛是有效的脱模剂。
总体而言，这些研究结果对于那些使用金属进行3D打印的各种企业，无论是小型企业还是大型工业实体，都会有所帮助。它不仅会使整个过程更加简单，而且，可重复使用的基板也帮助用户节约了成本。
铝质（左）和钢质（右）基板
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