毫無疑問，3D打?。ㄔ诠I(yè)上也稱為增材制造; AM）已經(jīng)正在引發(fā)制造轉(zhuǎn)型，從快速交付備件到定制化生產(chǎn)，增材制造技術(shù)可以幫助簡化設(shè)備維護(hù)，加速研發(fā)過程以及通過功能為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)來提升產(chǎn)品性能。

同時(shí)，材料工程師正在積極擴(kuò)展可3D打印材料的界限，不僅包括塑料和金屬，還包括納米材料，生物基材料等，3D打印正在逐漸成為主流制造技術(shù)。本期，3D科學(xué)谷與谷友來共同領(lǐng)略3D打印納入主流制造技術(shù)的挑戰(zhàn)與現(xiàn)狀?！?/span>3D打印成為主流制造技術(shù)的最新狀態(tài)》將分為上下兩篇來進(jìn)行行業(yè)發(fā)展透視，上篇將聚焦在3D打印納入主流制造技術(shù)的基礎(chǔ)建設(shè)部分。

合作比競爭更重要分享為上上策

安全監(jiān)管與知識(shí)產(chǎn)權(quán)

3D打印/ AM增材制造技術(shù)為制造商提供了前所未有的靈活性，在安全，監(jiān)管和知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）方面也引入了業(yè)界剛剛開始理解的一些敏感問題。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，為了解決這些問題，賓夕法尼亞州立大學(xué)正在提供有關(guān)增材制造法律問題的首個(gè)研究生課程。

驗(yàn)證與標(biāo)準(zhǔn)化

在考慮在關(guān)鍵工業(yè)應(yīng)用中使用3D打印零部件的安全方面時(shí)，驗(yàn)證和標(biāo)準(zhǔn)化也是必不可少的，但是受管制行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)尚未完全實(shí)現(xiàn)，例如，目前沒有針對(duì)AM增材制造組件的ASME壓力容器標(biāo)準(zhǔn)，然而，AM技術(shù)的快速發(fā)展要求快速開發(fā)新型增材制造零件的新標(biāo)準(zhǔn)。

商業(yè)化驗(yàn)證

殼牌正在開發(fā)AM增材制造項(xiàng)目，目前，殼牌正在開發(fā)據(jù)稱是世界上第一臺(tái)3D打印壓力容器。在這種開創(chuàng)性的努力中，重要的是通過產(chǎn)品的資格認(rèn)證，不僅要滿足法律和安全要求，還要為供應(yīng)鏈中的協(xié)作做出貢獻(xiàn)，這將有利于整個(gè)行業(yè)。隨著新技術(shù)的發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)也需要開發(fā)以促進(jìn)納入這些新的工作方式，并確保它們是安全的，滿足法律要求的，從而為最終用戶提供質(zhì)量和制造能力的保證。

毫無疑問，3D打?。ㄔ诠I(yè)上也稱為增材制造; AM）已經(jīng)正在引發(fā)制造轉(zhuǎn)型，從快速交付備件到定制化生產(chǎn)，增材制造技術(shù)可以幫助簡化設(shè)備維護(hù)，加速研發(fā)過程以及通過功能為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)來提升產(chǎn)品性能。

同時(shí)，材料工程師正在積極擴(kuò)展可3D打印材料的界限，不僅包括塑料和金屬，還包括納米材料，生物基材料等，3D打印正在逐漸成為主流制造技術(shù)。本期，3D科學(xué)谷與谷友來共同領(lǐng)略3D打印納入主流制造技術(shù)的挑戰(zhàn)與現(xiàn)狀?！?/span>3D打印成為主流制造技術(shù)的最新狀態(tài)》分為上下兩篇來進(jìn)行行業(yè)發(fā)展透視，下篇將聚焦在3D打印材料與工藝的進(jìn)展。

更多的選擇更好的性能

最令人興奮的領(lǐng)域之一是金屬領(lǐng)域新材料的發(fā)展，金屬3D打印正在從高端的鈦合金、鎳基高溫合金等材料的3D打印應(yīng)用越來越廣泛的應(yīng)用到不銹鋼、銅合金、鋁合金等材料的3D打印領(lǐng)域，從而擴(kuò)展3D打印零件的應(yīng)用前景。

1、鈦合金

從70美金一公斤到2.5美元一公斤的工藝成本？

2018年由創(chuàng)新英國（Innovate UK）資助的快速鍛造（FAST-forge）計(jì)劃旨在開發(fā)一種更便宜和更豐富的鈦粉制造工藝。這種更低成本的鈦粉3D打印材料將進(jìn)一步打開鈦在增材制造領(lǐng)域的市場空間。不僅鈦金屬粉末的制造更快，而且更便宜，鈦的金屬3D打印工藝也將獲得提升。英國似乎在醞釀?lì)嵏残缘拟伣饘俜勰┥a(chǎn)和鈦金屬零件制造技術(shù)。

2、不銹鋼

改性鋼

在SLM選區(qū)激光金屬熔化加工過程中，快速移動(dòng)的激光熔化金屬顆粒，形成熔融金屬的“軌道”。這種熔化軌道非常脆弱，容易坍塌，特別是在較低的傾斜角度下。澳洲的格拉茨技術(shù)大學(xué)開發(fā)了一種改進(jìn)不銹鋼顆粒表面的方法，使得部件的傾斜表面在3D打印過程中不會(huì)變形，從而降低了與支撐結(jié)構(gòu)相關(guān)的成本。

粒子的表面經(jīng)過修改，因此它們可以更智能地與熔融金屬相互作用，此外，通過使鋼粉更容易3D打印，以減少材料浪費(fèi)，并且在工藝結(jié)束時(shí)可以回收更多多余的鋼粉。目前主要集中在316L不銹鋼上，但格拉茨技術(shù)大學(xué)也有計(jì)劃將擴(kuò)展到其他鋼種。

低合金鋼

GKN推出的低合金鋼擴(kuò)大了激光粉末床熔化金屬3D打印工藝（LPBF）和粘結(jié)劑噴射金屬3D打印工藝（Binder Jetting)的材料范圍。GKN增材制造材料的ANCORAM?4605是一種含有鎳，鉬和錳的氣體或水霧化低合金鋼粉，已經(jīng)上市銷售，被認(rèn)為是制造特殊厚截面零件的理想選擇。而所有低合金鋼的粒度均適用于LPBF和粘合劑噴射工藝。

除了20MnCr5粉末外，GKN增材制造材料還開發(fā)了一系列用于增材制造的低合金鋼粉末，這些粉末在淬透性，熱處理和機(jī)械性能方面各不相同。每種粉末的區(qū)別在于不同的金屬組成，其中包含不同水平的碳（C）、硅（Si）、錳（Mn）、鉬（Mo）、鎳（Ni）和鉻（Cr）。

耐磨鋼

VBN開發(fā)的EBM金屬3D打印高合金高速鋼粉末材料被命名為Vibenite系列，目前已開發(fā)出5種不同型號(hào)的材料：耐腐蝕、耐磨Vibenite 350高合金鋼；高耐磨、高韌性高合金鋼Vibenite 150；耐磨、耐熱材料Vibenite 280；堅(jiān)硬材料Vibenite 290；新型混合硬質(zhì)合金Vibenite 480。

2018年末,VBN與一家全球工程集團(tuán)簽署了價(jià)值數(shù)百萬歐元的許可協(xié)議，該協(xié)議包括使用VBN材料與增材制造工藝為某特定細(xì)分領(lǐng)域生產(chǎn)高強(qiáng)度組件。VBN目前還與巖石鉆探企業(yè)Epiroc共同測試Vibenite 480材料3D打印部件在巖石鉆探中的應(yīng)用。

3、銅合金

材料與激光器的發(fā)展推動(dòng)銅合金3D打印

銅似乎不適合用于3D打印來加工，因?yàn)檫@種金屬容易直接反射3D打印機(jī)的激光束。銅金屬在激光熔化的過程吸收率低，激光難以持續(xù)熔化銅金屬粉末，從而導(dǎo)致成形效率低，冶金質(zhì)量難以控制。

國際上，Aerojet Rocketdyne在火箭銅合金推力室3D打印領(lǐng)域取得的突破，為制造新一代RL10發(fā)動(dòng)機(jī)帶來了可能性。3D打印銅合金推力室部件將替代以前的RL10C-1推力室部件。被替代的推力室部件是由傳統(tǒng)工藝制造的，由多個(gè)不銹鋼零件焊接而成，而3D打印的銅合金推力室部件則由兩個(gè)銅合金零件構(gòu)成。

初創(chuàng)的航天企業(yè)Launcher與合作伙伴3T、EOS也開發(fā)了3D打印銅合金火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件，3D打印技術(shù)的應(yīng)用可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)零件數(shù)量，縮短開發(fā)時(shí)間，并且更加易于制造復(fù)雜功能集成的部件，Launcher開發(fā)的3D打印銅合金（Cucrzr）發(fā)動(dòng)機(jī)部件就集成了復(fù)雜冷卻通道，這一設(shè)計(jì)將使發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻效率得到提升。

關(guān)于銅的3D打印用激光器，根據(jù)IDTechEx Research的《激光二極管與直接二極管激光器，2019-2029年：技術(shù)、市場與預(yù)測》報(bào)告，過去30年來，激光二極管的平均功率顯著提升，而每瓦平均價(jià)格卻呈指數(shù)級(jí)下降。因此，激光二極管正在取代一些已有的激光和非激光技術(shù)，同時(shí)也使全新的光學(xué)技術(shù)成為可能。

4、鋁合金

開始越過發(fā)展門檻的鋁合金

SLM選區(qū)金屬熔化技術(shù)

鋁合金，由于其天然的輕量化特點(diǎn)，在工業(yè)制造領(lǐng)域占有重要的一席之地。根據(jù)SmarTech的預(yù)測，鋁合金占金屬3D打印中所有金屬粉末的消耗量（按體積計(jì)算）從2014年的5.1%逐漸提高到2026年的11.7%左右，鋁合金在汽車行業(yè)的10年復(fù)合增長率在51.2%。鋁合金材料的全球供應(yīng)鏈似乎已經(jīng)“越過門檻”，成為支持增材制造技術(shù)的下一代機(jī)遇。鋁合金的3D打印現(xiàn)在開始趕上鎳，鋼和鈦。

壓鑄合金AlSi10Mg類似美國合金360,雖然這并不是一個(gè)被廣泛認(rèn)可的高強(qiáng)度鑄造合金，但它已被證明通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砟軌虍a(chǎn)生相當(dāng)高的強(qiáng)度，3D科學(xué)谷了解到雖然這一事實(shí)也還備受爭議。但從廣義上講，這種合金可以通過標(biāo)準(zhǔn)的熱處理工藝，固溶處理后人工時(shí)效，稱為T6周期。溶液處理500°C以上，4-12h，溫度不應(yīng)超過550°C，其次是水或聚合物熔體淬火。人工老化溫度在155°C-165°C之間，時(shí)間6-24h，通過精確的時(shí)間和溫度控制最終性能?？估瓘?qiáng)度可以從220MPa到340MPa之間，抗拉屈服強(qiáng)度在180MPa和280MPa之間。其他合金包括169（A357）和AlSi7Mg。

根據(jù)中國日?qǐng)?bào)，蘇州倍豐創(chuàng)始人、澳大利亞工程院吳鑫華院士領(lǐng)導(dǎo)莫納什大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)出了牌號(hào)為Al250C的高強(qiáng)高韌增材制造專用鋁合金材料，為3D打印鋁合金材料再添一名明星成員。Al250C是研究團(tuán)隊(duì)專門為3D打印設(shè)計(jì)的材料，已經(jīng)達(dá)到了批產(chǎn)和商業(yè)化使用階段。Al250C材料強(qiáng)度達(dá)到目前可用于3D打印的鋁合金材料中最高水平，屈服強(qiáng)度可達(dá)580MPa，抗拉強(qiáng)度590MPa以上，延伸率可達(dá)11%，制備構(gòu)件通過了250℃高溫下持續(xù)5000小時(shí)的穩(wěn)定試驗(yàn)， 相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)服役25年的要求。

南京航空航天大學(xué)幾年前開發(fā)出基于SLM成形的鋁基納米復(fù)合材料，用于激光增材技術(shù)領(lǐng)域，有效的解決鋁基納米復(fù)合材料在激光增材過程中工藝性能與力學(xué)性能不匹配、增強(qiáng)顆粒分布不均勻以及陶瓷相與基材相之間潤濕性較差的問題，使得所獲得的產(chǎn)品具備良好的界面結(jié)合以及優(yōu)異的力學(xué)性能。

5、粘結(jié)劑噴射間接金屬3D打印技術(shù)

上述的是通過SLM選區(qū)激光金屬熔化3D打印技術(shù)所加工鋁合金的發(fā)展情況。隨著鋁合金材料以及粘結(jié)劑技術(shù)的發(fā)展，通過粘結(jié)劑噴射間接金屬3D打印工藝實(shí)現(xiàn)鋁合金零部件增材制造具有了更高可行性。根據(jù)3D科學(xué)谷市場觀察，材料科學(xué)企業(yè)Equispheres開發(fā)了一種適用于粘結(jié)劑噴射3D打印的新型鋁合金粉末。Equispheres與加拿大麥吉爾大學(xué)合作對(duì)AlSi10Mg鋁合金粉末進(jìn)行了測試，觀察到Equispheres標(biāo)準(zhǔn)AlSi10Mg鋁合金粉末具有無壓縮、亞固相燒結(jié)，以及具有良好的致密化（優(yōu)于95％）和優(yōu)異的微觀結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，該材料能夠適用粘結(jié)劑噴射3D打印及其后處理中的燒結(jié)過程。

3D打印砂型+鑄造

1、金剛石與硬質(zhì)合金

金剛石

山特維克開發(fā)了專有的后處理步驟，復(fù)合材料的硬度是鋼的三倍，導(dǎo)熱系數(shù)高于銅，密度接近鋁，從發(fā)電到采礦再到醫(yī)療植入物，各種各樣的行業(yè)都可以從3D打印金剛石中受益。

硬質(zhì)合金

湖南伊澍智能制造采用的增材制造工藝為基于粉末床熔融的電子束熔化（EBM）3D打印技術(shù)，并基于這一工藝開展了對(duì)WC-Co硬質(zhì)合金層-金剛石復(fù)合材料組分以及材料增材制造工藝參數(shù)的研究。

材料的研究包括對(duì)WC-Co硬質(zhì)合金中Co的質(zhì)量含量、粒徑，金剛石材料的粒徑、純度，以及兩種材料的質(zhì)量比等方面。在工藝參數(shù)方面，湖南伊澍智能制造探索了這種復(fù)合材料的3D打印參數(shù)，例如電子束熔化掃描的掃描速率、電流、熔化溫度等。