Heraeus展出轻量大件3D打印玻璃金属，突破3D打印界限

来源： 3D打印世界

金属粉末专家Heraeus在芝加哥的Automate 2019展会上展示了由非晶态金属（也称为玻璃金属）制成的3D打印齿轮。齿轮采用标准SLM系统进行3D打印，采用Heraeus的材料。通过这次全球首发，Heraeus正在突破3D打印的界限，为各种行业开辟全新的设计可能性——从自动化解决方案和机器人到航空、医疗技术和汽车行业。

Heraeus打印的非晶态金属齿轮采用增材制造，重量为2千克。由于所需的高冷却速率主要超过1000开尔文/秒，以前非晶态金属只能生产小部件。由于齿轮的拓扑结构在开发过程中也得到了优化，因此与传统制造版本相比，材料和工艺专家能够将重量减轻50％。Heraeus现在已经在尺寸和复杂性方面重新定义了现有的技术限制，彻底改变了设计可能性，例如自动化行业和机器人技术。

采用Heraeus的特殊材料进行高精度的逐层生产，减少材料使用，减轻重量并降低成本。使用3D打印还可降低总体生产成本。使用传统方法，制造复杂零件需要许多工艺和制造步骤。必须生产几个单独的部件再组装。但是，3D打印机可以在一个过程中完成此任务。

非晶金属是固体金属材料，通常是合金，具有无序的原子级结构。大多数金属在固态下是结晶的，这意味着它们具有高度有序的原子排列。非晶金属是非结晶的并且具有玻璃状结构。但是与普通玻璃不同，非晶金属具有良好的导电性。非晶态金属的特征在于良好的耐腐蚀性，优异的耐磨性和聚合物的弹性。它们还具有软磁特性，易于磁化和消磁。

大部分的金属在冷却时都会结晶，把它们的原子排列成有规则的图案，叫做晶格 (lattice)。但如果结晶不出现，原子便会随机排列(random arrangement)，成为金属玻璃 (metallic glass)。

普通玻璃的原子也是随机排列，但它不是金属。金属玻璃并不透明，它拥有独特的机械 (mechanical)和磁性(magnetic)特质，不易破碎和不易变形 (deform)。它是制造变压器、高尔夫球棒和其他产品的理想物料。

目前生产的金属玻璃是较薄和较细的，因为金属冷却时很快便会结晶，所以需要非常快的冷冻。美国约翰斯鹤健士大学(John Hopkins University)的研究员何纳乔(Todd Hufnagel)，正研究如何生产有超级强力、弹力和磁力特质，但是较为大块的金属玻璃。这种新的金属会保持固体而不会在高温下结晶，这将会适于制造引擎零件及军用武器。

用铁造的金属玻璃是很好的磁性物质，而且由于加热后便变得柔软，容易铸造成不同形状的制成品。

图中所见是何纳乔利用感应熔炉 (induction furnace) ，很快的将金属混合物溶化，变为金属玻璃 。金属玻璃的出现可以追溯到20世纪30年代，Kramer第一次报道用气相沉积法制备出金属玻璃，在1950年，冶金学家学会了通过混入一定量的金属--诸如镍和锆一去显出结晶体，1960年，美国加州理工学院的Klement和Duwez等人采用急冷技术制备出Au75Si25金属玻璃。当合金的薄层在每秒一百摄氏度的速率下冷却时，它们形成金属玻璃。但因为要求迅速冷却，它们只能制造成很薄的条状物、导线或粉末。

最近，科学家通过混合四到五种不同大小原子的元素，去形成诸如条状的多种多样的金属玻璃。变化原子大小使它混合而形成玻璃从而变得更韧。这些新合金的用途之一是在商业上用来制造高尔夫球棍的头。

在国家科学基金和美国军队研究总局的支助下，Hufnagel已建立了试验新合金的实验室。他试图创建一种在高温下将依然为固体并不结晶的合金金属玻璃，使它能成为发动机零件有用的材料。该材料也可用于穿甲炮弹等军事场合。不象大多数结晶金属炮弹，在冲击后从平的形状变为蘑菇形状，Hufnagel相信;金属玻璃弹头的各边将转向并给出最好穿透力的削尖射弹。

制造厚的、笨重形状的金属玻璃是困难的，因为大多数金属在冷却时会突然出现结晶现象，制造玻璃，金属必会变硬，因为晶格成形时会改变，从纯金属--诸如铜、镍去创建玻璃，它将以每秒钟一万亿摄氏度的速率下冷却。

来源： 3D打印世界