第四百章：机器人关节材料
利用3D打印技术，可以迅速且大批量的制造出来工业机器人，可以在相对较短的时间内对劳动力的空缺做出弥补。
但相对而言，目前现实各国使用的3D打印技术也是有不少缺点的。
首先是材料问题，这也是韩元需要解决的问题。
3D打印技术从提出到现在也发展了十几年，优点众多，但缺点也不少。
而最大的局限和缺点主要体现在材料上, 能用于3D打印的材料非常有限。
对于目前的人类社会来说，3D打印材料主要是塑料、树脂、石膏、陶瓷、砂和金属等。
其中金属、细砂这类没法稳固自身形态的材料几乎很少被用来打印物件，因为即便是打印出来了，其成型的物品除了用作模型外，也没有其他的用处。
尽管现在各国已经开发了许多应用于3D打印的同质和异质材料，但是对于材料需求量巨大的各国来说, 目前能用来进行3D打印的材料任然非常有限。
而且利用目前可以进行打印的材料, 3D打印技术能做的事情非常少。
所以开发新材料的需求仍然存在, 特别是在金属材料打印这一块，更是没有几个国家几家公司能进行。
如果说金属材料打印还勉强有几个国家和几家公司能做到的话，那么接下来还有两个致命的缺陷。
第一個是3D打印这种技术暂时还无法打印可以活动的物件。
即便是一台小小的四驱车都不行。
其原因分两部分，一部分是打印材料不过关，另一部分则是包括打印精度、打印质量、计算机编程、模型设计等等在内的技术问题。
两者结合，这就导致目前的各国流行的3D打印技术无法打印可活动的物品。
而第二个缺陷则是利用3D打印技术打印出来的物品无论是物理性能、还是化学性能、亦或者其精度等各项数据大多都不能满足工程实际的使用要求。
目前打印出来的各种零件几乎都不能作为功能性零件，只能做原型件使用。
比如要制造一辆汽车，可以通过3D打印技术将其模型精准的制造出来，但是这个打印出来的汽车是没法开的。
甚至就连汽车上的某个零件坏掉了，都无法用3D打印技术打印出来的零件更换。
这是因为3D打印技术打印出来的零件在物理强度、刚度、耐疲劳性等各种性能上都不过关。
另外由于3D打印采用“分层制造，层层叠加”的增材制造工艺，层与层之间的结合再紧密，也无法和传统模具整体浇铸而成的零件相媲美。
而一个零件材料的微观组织和结构决定了零件的使用性能。
所以目前的3D打印技术打印出来的东西除了用作模具以及个别的用途外，并不具备什么广泛实用性。
但上述的无论哪个问题，归根到底, 其实还是打印的材料不过关导致的。
如果能将打印材料的问题解决，这些问题基本都能得到解决。
这也是韩元将目光投向3D打印技术的原因。
大型的3D打印机或者说大型3D打印厂房是未来工业集群制造的一条路。
这条路可以实现无人化管理，极大的节省了人力。
因为3D打印技术可以使用计算机直接进行各种零件或者模型的生产，不用通过其他设备来协助完成。
这一点和传统的工厂不一样。,
传统的工厂在生产零件时，需要许多个设备甚至是多个生产线协作才能组装完成。
而3D打印技术则不需要拼装，不仅速度更快，还节省了不少的人力物力成本，提升了生产效率。
当然，3D打印技术目前还是一种新型新兴技术，优点和缺点很分明。
韩元要做的，就是尽力将其缺点补足。
.......
工作室间，韩元手拾铅笔在白纸上编写着3D打印技术需要使用的材料。
对于他来说，这种材料必须要有足够的强度、韧性、抗性、耐腐蚀性等优秀性能。
因为这是用于制造工业机器人身上的。
复合碳纤维材料、钴铬合金、亚克力材料、钛合金、树脂......
一系列相对符合3D打印技术使用的材料都被韩元列举在了纸张上。
编写完成后，韩元放下了手中的铅笔，拾起了纸张。
通过3D打印技术制造工业机器人，需要的材料肯定不止一种。
从主体骨骼到电源供应，再到无线通讯到智能控制......
一台智能工业机器人身上的零件都可以说是不计其数的，而且每个区域的功能都不同，这需要完全不同的材料来制造。
不过韩元想要的，只是其中的一种关键性材料。
那就是可以用于关节处的3D打印材料。
如果抛开软件程序和控制系统这些编程方面的东西来说，一台机器人的水平能力如何，几乎可以说有二分之一以上的性能取决于关节活动处。
没错, 一台机器人的关节处就是这么重要。
关节处的活动自由度以及冗余自由度决定机器人的灵活性、自由度、运动精度、运动特性、动态特性等等性能。
人的手臂（大臂、小臂、手腕）之所以足够灵活，是因为一共有七个灵活度，足以支撑人类完成绝大部分的工作了。
而且相对于其他部位的材料零件来说，机器人活动关节处的零部件承受的压力更大，对于使用材料的性能要求更高。
如果说一台机器人绝大部分的材料都可以使用高强度高韧性的复合碳纤维材料构成，那么关节处的材料是无法使用碳纤维材料的。
因为3D打印技术打印出来的碳纤维材料表面相当粗糙，而关节处的材料要求表面光滑达到一定程度，碳纤维材料达不到要求。
至于各种合金材料，光滑度经过处理虽然能达到要求，但采用3D打印技术处理的话，这两种材料的强度和抗疲劳性能是达不到要求的。
毕竟和传统的冶炼技术相比，3D打印技术打印出来的合金在强度、韧性等方面都弱了不止一个档次。
所以研发出一种可以用于3D打印的机器人关节处材料就是韩元这一次的目的。
.......
相对于普通冶炼过程使用的材料来说，3D打印技术使用的材料要求更高。
就像粉末冶金，基本都可以使用一毫米以下的粉末来进行。
当然，也有一些超细颗粒的粉末冶金技术要求粉末颗粒的直径一百微米左右或者一百微米以下。
不过这是相对特殊的情况，总体来说使用的粉末颗粒直径还是比较大的。
但3D打印金属材料使用的粉末颗粒直径的基本要求均在一百微米以下，严格的甚至要求达到三十微米左右。
除了金属粉末的颗粒直径外，3D打印技术对于金属粉末的纯净度高、球形度、粒径分布宽窄、氧含量高低等条件都有一定的条件。
这些条件对比起常规的粉末冶金技术更加苛刻。
盯着纸张上列出来的各种材料，韩元陷入了沉思。
大脑中的各种材料属性知识一项项的被调用起来查看推衍，寻找着适合3D打印的材料。
半响过后，韩元从沉思中醒过来，再次在纸张上写下了另外两种种材料的名字。
【非晶合金材料】【共晶合金材料】
前者是一种是由合金材料配比后进行超急冷凝固，致使合金凝固时原子来不及有序排列结晶，得到的一种合金。
非晶合金材料拥有着无序结构，且组成它物质的分子没有晶态合金的晶粒、晶界存在。
之前在三级任务的时候，韩元制造过这种材料。
电推进无工质发动机的里面的‘离子电场’生成器使用的就是非晶合金材料。
而另外一种‘共晶合金材料’则是通过材料的共晶反应制造的合金材料。
所谓的共晶反应是指在一定的温度下，一定成分的液体同时结晶出两种一定成分的固相的反应。
在这种反应下，材料所生成的两种固相机械地混合在一起，形成有固定化学成分的基本组织。
比如含碳量为2.11%--6.69%的铁碳合金，在1148℃的恒温下发生共晶反应，产物是奥氏体和渗碳体的机械混合物。
而这种碳铁合金被称为“莱氏体”合金。
共晶合金材料有一个非常特殊的地方。
那就是共晶合金的共晶温度低于组成他的任一金属的熔点。
比如铁镍共晶合金材料。
其中铁的熔点是1538摄氏度，而镍的熔点是1453摄氏度。
那么形成的铁镍共晶合金的熔点在差不多在1350度左右。
因为共晶合金中组成物金属的熔点，与它在纯金属状态下的熔点会差不多相差一百度左右。
所以绝大部分的共晶合金在升高温度后，可以直接从固态变到液态。
而不用像普通的金属或者合金一样，需要经过塑性阶段。
这一点，被广泛的应用到了合金的冶炼和金属热处理行业上。
刚刚在编写3D打印材料的时候韩元并没有往这两种合金的冶炼方式上去想。
主要是因为它们的冶炼手段都比较特殊，不适应于粉末冶金。
不过在经过详细思考后，韩元还是将这两种合金材料添加了进来。
不仅仅是添加，他还将重点思考范围放到了这两种合金材料的冶炼手段上。
常规的粉末冶金金属和3D打印技术其实已经被现实中各国的科学家探索的差不多了。
没有找到的路，有时候可能很隐蔽，有时候却可能就在人眼皮子底下。
韩元决定在非晶合金材料以及共晶合金材料这两条路上试一试。
共晶合金材料在凝固的时候不是糊状凝固，是直接变成固态的，所以只要凝固顺序控制好了就很少产生缩孔和缩松。
这一点其实非常适合3D打印技术。
特别是在关节处的制造上，形成的关节零件表面会相当光滑，不会形成各种凹凸不平的地方或者形成毛刺一类的东西。
而非晶合金材料则具有许多独特的性能。
如优异的磁性、耐蚀性、耐磨性、高的强度、硬度和韧性，高的电阻率和机电耦合性能等。
韩元想尝试一下将共晶合金和非晶合金两种材料的优点结合起来起来。
......
夜深，燥热的空气被晚间的微风带走，顺便送来了一丝清凉的新风。
韩元坐在工作室间，手中的铅笔不断的将一项又一项的常用金属材料写在洁白的纸上。
被列出来的金属材料大部分仅仅在纸上停留了十秒，就又被划上了一个个的×。
韩元在依次排除不适用的金属材料，并将适合的金属材料并列到一旁。
排除的这种合金材料的判断依据主要是易固溶化性差异以及两者的熔点是否相差巨大。
就像锡这种熔点只有两百三十度的金属，很显然和熔点高达三千四百度的钨是凑不到一块去的。
两者的熔点相差太大，并不适用于非晶合金材料的冶炼。
非晶合金材料虽然整体熔点要比合金的任何一种要更低，但当合金中的两种金属材料熔点相差太大时，根本就不会生成。
所以韩元得先排除掉熔点相差过大的金属材料，第一次尽量选择熔点差度在一千度以内的金属。
先确定出来，然后再来分析它们的易固溶化性差异和晶体结构差异。
通过熔点、易固溶化性差异、晶体结构这三个点，差不多就可以在不用做实验的情况下大致确定两种金属或者多种金属之间是否能形成非晶合金以及共晶合金。
而当两种金属材料可以同时形成非晶合金以及共晶合金的时候，韩元又会将其筛选出来。
就这样一步一步的，不用通过任何实验，光是依靠各种金属的物理性质，韩元就能做到各国需要多次进行实验才能确认的事情。
虽然可能会有些误差，比如漏掉某些原本可以既共晶又非晶的金属，也有可能会将某些不能匹配在一起的金属匹配在一起。
但相对于不需要实验这个巨大的优势来说，这点漏洞并不算什么。
节省下来的时间，足够韩元慢慢的进行重新筛选剩下的金属材料了。
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