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

同時，材料工程師正在積極擴展可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。本期，3D科學谷與谷友來共同領略3D打印納入主流制造技術的挑戰(zhàn)與現狀?！?/span>3D打印成為主流制造技術的最新狀態(tài)》將分為上下兩篇來進行行業(yè)發(fā)展透視，上篇將聚焦在3D打印納入主流制造技術的基礎建設部分。

數字化與3D打印釋放制造潛力。來源：西門子

合作比競爭更重要分享為上上策

安全監(jiān)管與知識產權

3D打印/ AM增材制造技術為制造商提供了前所未有的靈活性，在安全，監(jiān)管和知識產權（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3D科學谷的市場觀察，為了解決這些問題，賓夕法尼亞州立大學正在提供有關增材制造法律問題的首個研究生課程。

根據賓夕法尼亞州立大學，有了增材制造技術，其中一個挑戰(zhàn)是如何保護零件的設計，有時候人們可能沒有意識到自己可能違反了其他人的知識產權。在某些情況下，復制零件可以像掃描零件一樣簡單，從而生成可以3D打印的零件三維實體模型。賓夕法尼亞州立大學開發(fā)了認證3D打印部件的方法，包括嵌入式化學標簽 – 基本上是一個“指紋”，可以用光譜檢測，以提供部件來源的驗證。例如，如果要打印鈦合金零件，用戶可以在零件中打印不會影響屬性的輔助材料，但可用于驗證零件是否真實。

化學標簽是一種驗證零件和保護專有設計的方法。來源：Penn State

驗證與標準化

在考慮在關鍵工業(yè)應用中使用3D打印零部件的安全方面時，驗證和標準化也是必不可少的，但是受管制行業(yè)的相關標準尚未完全實現，例如，目前沒有針對AM增材制造組件的ASME壓力容器標準，然而，AM技術的快速發(fā)展要求快速開發(fā)新型增材制造零件的新標準。

標準化的一個關鍵是跨行業(yè)協(xié)作和數據共享，尤其適用于存在高抗疲勞要求或特別高溫或高壓的苛刻應用情況下。美國國家標準協(xié)會（ANSI）和America Makes已經啟動了標準協(xié)調工作，將AM增材制造技術和零件標準化的相關數據匯集在一起。ASTM也在這方面做了大量的工作。不過仍有許多工作要做，因為許多公司都不愿意分享專有研究或運營數據，特別是對于花費了數百萬美元所生成的那些數據。歐瑞康在共享數據方面也做了大量的工作，通過與工業(yè)制造商的合作開發(fā)工作，將數據共享給FAA等組織機構，來為3D打印進入主流制造技術鋪平道路。在大多數情況下，合作比競爭更重要，分享比保密更有利于發(fā)展。對于粉末床選區(qū)金屬熔化3D打印技術來說，3D打印壓力容器仍然是一個特別關注的領域，熱交換器和散熱器也是如此，而帶點陣結構的輕量化零部件 – 可以使用更少的材料，仍然滿足性能的要求，這些正在徹底改變組件的經濟性。

商業(yè)化驗證

即使具有定制化和流程優(yōu)化的潛力，用戶也必須繼續(xù)確保其設施的所有流程都滿足檢查要求。獨立驗證和鑒定是降低風險和未知因素的一種方式，在這方面Lloyd’s Register（LR倫敦）與TWI Ltd.合作（英國劍橋）合作，制定了一套專門的指導方針，旨在對通過AM生產的金屬部件進行認證，并自2016年開始對3D打印設施進行認證。這些指導原則考察了許多因素，包括：原料收貨，儲存和處理; 設備資質; 過程控制; 人員培訓; 健康，安全和環(huán)境方面的考慮等等。最近，LR應用其指導方針檢查和鑒定在阿姆斯特丹殼牌技術中心運營的粉末床熔化3D打印設施。在3D打印中，許多變量會影響零部件的機械性能，這可能會對所生產零件的一致性帶來各種風險。LR的資格證明了通過對流程和質量的控制降低操作風險。

殼牌在其阿姆斯特丹技術中心的粉末床熔化3D打印零件。來源：殼牌

殼牌正在開發(fā)AM增材制造項目，目前，殼牌正在開發(fā)據稱是世界上第一臺3D打印壓力容器。在這種開創(chuàng)性的努力中，重要的是通過產品的資格認證，不僅要滿足法律和安全要求，還要為供應鏈中的協(xié)作做出貢獻，這將有利于整個行業(yè)。隨著新技術的發(fā)展，標準和法規(guī)也需要開發(fā)以促進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量和制造能力的保證。

毫無疑問，3D打印（在工業(yè)上也稱為增材制造; AM）已經正在引發(fā)制造轉型，從快速交付備件到定制化生產，增材制造技術可以幫助簡化設備維護，加速研發(fā)過程以及通過功能為導向的設計來提升產品性能。

同時，材料工程師正在積極擴展可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。本期，3D科學谷與谷友來共同領略3D打印納入主流制造技術的挑戰(zhàn)與現狀?！?/span>3D打印成為主流制造技術的最新狀態(tài)》分為上下兩篇來進行行業(yè)發(fā)展透視，下篇將聚焦在3D打印材料與工藝的進展。

GF與3D Systems的聯(lián)合品牌金屬3D打印系統(tǒng)所制造的散熱器

更多的選擇更好的性能

最令人興奮的領域之一是金屬領域新材料的發(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打印應用越來越廣泛的應用到不銹鋼、銅合金、鋁合金等材料的3D打印領域，從而擴展3D打印零件的應用前景。

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打印材料將進一步打開鈦在增材制造領域的市場空間。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。英國似乎在醞釀顛覆性的鈦金屬粉末生產和鈦金屬零件制造技術。

DSTL國防科學技術實驗室通過將鈦粉生產的40個階段工藝簡化為兩個步驟，這可能使得鈦零件的生產成本減半，徹底改變了鈦的生產?？偛课挥谀霞s克郡Rotherham的Metalysis公司也參與了FAST-forge項目。根據3D科學谷的市場觀察，Metalysis還獲得1700萬美元的資金以推進3D可打印金屬合金粉末的研發(fā)與制造能力，Metalysis在開發(fā)一種粉末生產工藝，該工藝可以以更低的成本來生產合金粉末。

Metalysis的專有技術可以使用金紅石直接將鈦金屬電解成粉末狀。宣稱，其專有的技術比常規(guī)的鈦粉制造公司使用更少的能源，至少可節(jié)省50%的能源。據稱，FFC方法將使得用于金屬3D打印的球形金屬粉末的制造工藝成本從當前的70美元/公斤降低到為2.50美元/公斤。

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。澳洲的格拉茨技術大學開發(fā)了一種改進不銹鋼顆粒表面的方法，使得部件的傾斜表面在3D打印過程中不會變形，從而降低了與支撐結構相關的成本。

粒子的表面經過修改，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，并且在工藝結束時可以回收更多多余的鋼粉。目前主要集中在316L不銹鋼上，但格拉茨技術大學也有計劃將擴展到其他鋼種。

預計這種材料將在2020年進行工業(yè)產業(yè)化的示范，商業(yè)化產品將進入市場。這種改性鋼粉末材料特別適用于拓撲優(yōu)化零部件，點陣結構和先進的管道和閥門系統(tǒng)。外一家位于美國西海岸的創(chuàng)業(yè)企業(yè)Velo 3D開發(fā)了智能熔化金屬3D打印系統(tǒng)可以處理低至10度的角度，從而減少了對支撐結構的需求。

低合金鋼

GKN推出的低合金鋼擴大了激光粉末床熔化金屬3D打印工藝（LPBF）和粘結劑噴射金屬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，已經上市銷售，被認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。

GKN還成功開發(fā)出20MnCr5，這是另一種低合金鋼粉末材料，適用于汽車原型制造應用，提供汽車零件所需要的機械性能。根據3D科學谷的市場觀察，保時捷工程公司在確定這種材料的應用可行性后，開發(fā)了一種新的電動動力系統(tǒng)。20MnCr5鋼粉具有高強度、高延展性、高疲勞強度，通過表面硬化具有優(yōu)異的耐磨性。20MnCr5材料對于汽車行業(yè)來說打開了增材制造的新空間，汽車行業(yè)將首先通過這種低合金鋼材料進行原型制造，然后確認是否可擴展到大規(guī)模生產應用。通過3D打印制造的零件允許工程師在幾周內（如果不是幾天）完成設計驗證，并進入到下一輪的設計迭代周期中。

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

瑞典金屬粉末材料公司VBN Components 結合具體的工業(yè)應用需求與增材制造-3D打印工藝，開發(fā)了新一代高強度、含碳化物的高速鋼材料。這類材料適合制造耐磨損部件，如齒輪加工刀具、食品加工設備零部件、采礦設備零部件等。耐磨鋼材料具有廣泛的工業(yè)用途，它們屬于傳統(tǒng)制造技術難加工的材料，VBN 通過電子束熔融（EBM）3D打印技術實現了這類材料的制造。

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；堅硬材料Vibenite 290；新型混合硬質合金 Vibenite 480。

其中，沃爾沃建筑設備公司正在使用通過Vibenite 280材料制造的齒輪加工滾齒刀，并與傳統(tǒng)高合金鋼制造的標準滾齒刀進行了比較。結論是，當Vibenite 280材料制造的刀具以正常進給運行時（切割深度相同），刀具使用壽命延長至2.2倍。

2018年末,VBN與一家全球工程集團簽署了價值數百萬歐元的許可協(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分領域生產高強度組件。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用。

3、 銅合金

材料與激光器的發(fā)展推動銅合金3D打印

銅似乎不適合用于3D打印來加工，因為這種金屬容易直接反射3D打印機的激光束。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，從而導致成形效率低，冶金質量難以控制。

繼2016年和2017年，NASA 在馬歇爾太空飛行中心對3D打印的GRCop-84組件進行熱火試驗后，NASA的銅基和鎳基合金3D打印技術已經發(fā)展到這些技術所制造的零件通過熱火試驗。根據3D科學谷的市場觀察，多家制造企業(yè)在開發(fā)銅合金3D打印工藝。國內金屬3D打印企業(yè)鉑力特已在銅金屬激光成形領域取得了進展，研制出針對難熔金屬和高導熱、高反射金屬的3D打印工藝，實現了復雜流道的銅材料制造工藝，成功制備出3D打印銅合金尾噴管。

國際上，Aerojet Rocketdyne在火箭銅合金推力室3D打印領域取得的突破，為制造新一代RL10發(fā)動機帶來了可能性。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銅合金零件構成。

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)動機部件，3D打印技術的應用可以減少發(fā)動機零件數量，縮短開發(fā)時間，并且更加易于制造復雜功能集成的部件，Launcher 開發(fā)的3D打印銅合金（Cucrzr）發(fā)動機部件就集成了復雜冷卻通道，這一設計將使發(fā)動機冷卻效率得到提升。

關于銅的3D打印用激光器，根據IDTechEx Research 的《激光二極管與直接二極管激光器，2019-2029 年：技術、市場與預測》報告，過去 30 年來，激光二極管的平均功率顯著提升，而每瓦平均價格卻呈指數級下降。因此，激光二極管正在取代一些已有的激光和非激光技術，同時也使全新的光學技術成為可能。

2018 年，島津公司擬（日本）實現了其 BLUE IMPACT 藍光沖擊二極管激光器的商業(yè)化，。島津 450 納米藍色二極管激光器的一個關鍵應用是銅材料的 3D 打印。銅對藍色激光的吸收率很高，背反射的減少可以使加工過程變快，這對傳統(tǒng)的紅外激光器是一個嚴峻的挑戰(zhàn)。新研發(fā)的 3D 打印機可以用純銅粉高效打印物體。現有的 3D 打印機技術一般采用 CuCr1Zr 等銅合金來代替純銅。

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

鋁合金，由于其天然的輕量化特點，在工業(yè)制造領域占有重要的一席之地。根據SmarTech的預測，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年復合增長率在51.2%。鋁合金材料的全球供應鏈似乎已經“越過門檻”，成為支持增材制造技術的下一代機遇。鋁合金的3D打印現在開始趕上鎳，鋼和鈦。

鋁硅AlSi12-鋁硅12是一種具有良好的熱性能的輕質增材制造金屬粉末。AlSi10Mg-硅/鎂組合帶來顯著的強度和硬度的增加。這種鋁合金適用于薄壁，復雜的幾何形狀的零件，是需要良好的熱性能和低重量場合中理想的應用材料。零件組織致密，有鑄造或鍛造零件的相似性。典型的應用包括汽車，航空航天和航空工業(yè)級的原型及生產零部件，例如換熱器這樣的薄壁零件。

壓鑄合金AlSi10Mg類似美國合金360,雖然這并不是一個被廣泛認可的高強度鑄造合金，但它已被證明通過適當的熱處理能夠產生相當高的強度，3D科學谷了解到雖然這一事實也還備受爭議。但從廣義上講，這種合金可以通過標準的熱處理工藝，固溶處理后人工時效，稱為T6周期。溶液處理500°C以上， 4-12h，溫度不應超過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，時間6-24h，通過精確的時間和溫度控制最終性能?？估瓘姸瓤梢詮?/span>220MPa到340MPa之間，抗拉屈服強度在180MPa和280MPa之間。其他合金包括169（A357）和AlSi7Mg。

此外，市場研究另外專有的合金如Scalmalloy已經被用于空客的增材制造應用中，這是一些令人興奮的進展。HRL實驗室的研究人員根據晶體學信息選擇了鋯基納米顆粒成核劑，并將它們組裝到了7075和6061系列鋁合金粉末中。在用成核劑進行功能化之后，這些先前與增材制造制造不相容的高強度鋁合金可以使用粉末床選擇性激光熔化設備進行成功的加工。成型后的材料無裂紋，等軸（即，其長度，寬度和高度上的晶粒大致相等），實現了細晶粒微觀結構，并與鍛造材料具有相當的材料強度。

根據中國日報，蘇州倍豐創(chuàng)始人、澳大利亞工程院吳鑫華院士領導莫納什大學研究團隊成功開發(fā)出了牌號為Al250C的高強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是研究團隊專門為3D 打印設計的材料，已經達到了批產和商業(yè)化使用階段。Al250C材料強度達到目前可用于3D打印的鋁合金材料中最高水平，屈服強度可達580MPa，抗拉強度590MPa以上，延伸率可達11%，制備構件通過了250℃高溫下持續(xù)5000小時的穩(wěn)定試驗， 相當于發(fā)動機常規(guī)服役25年的要求。

總部位于英國的鑄造專家Aeromet International專利的用于增材制造的鋁合金粉末A20X所制造的零件已經超過500MPa的極限拉伸強度（UTS）。Aeromet 稱，這一成就使的該鋁合金材料成為“市售的用于增材制造的最強鋁合金粉末之一”。A20X是一種鋁 – 銅合金材料，具有精細的微觀結構，與其他合金相比，具有“高的強度，抗疲勞和優(yōu)化的熱性能?！蹦壳耙勋@得金屬材料特性開發(fā)和標準化（MMPDS）和航空航天材料標準（AMS）的批準，該材料已被全球領先的航空鑄造供應商采用。

南京航空航天大學幾年前開發(fā)出基于SLM成形的鋁基納米復合材料，用于激光增材技術領域，有效的解決鋁基納米復合材料在激光增材過程中工藝性能與力學性能不匹配、增強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，使得所獲得的產品具備良好的界面結合以及優(yōu)異的力學性能。

5、粘結劑噴射間接金屬3D打印技術

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

作為汽車制造中大量使用的鋁合金材料，一直以來難以搭上粘結劑噴射技術的順風船，以更低的成本和更高的效率實現汽車零部件增材制造。主要原因是粘結劑噴射3D打印工藝在完成打印后需要進行燒結后處理，在此過程中易導致鋁合金燃燒，這是粘結劑噴射3D打印進行鋁合金加工的一大挑戰(zhàn)。從這個角度來看，Equispheres 推出的可用于粘結劑噴射技術的鋁合金粉末則為該技術的應用打開了新空間。但粘結劑噴射3D打印鋁合金的機械性能與硬度能否滿足汽車零部件制造領域的要求，3D科學谷將保持關注。

3D打印砂型+鑄造

此外，3D打印砂型與鑄造的方式是生產鎂鋁合金的一種現實可行的方法。根據3D科學谷的市場觀察，國際上，關于鑄造在交通工具領域的輕量化應用，一個現實的例子是歐特克通過voxeljet-維捷的3D打印設備來制造熔模并鑄造鎂鋁合金，從而實現飛機座椅的輕量化。這種座椅結構件適合任何標準的商用噴氣式飛機，預計可以通過減重為航空公司節(jié)約數百萬美元的成本。

1、金剛石與硬質合金

金剛石

山特維克增材制造部門的研究人員通過立體光刻技術（SLA）開發(fā)了一種由金剛石粉末和聚合物組成的漿料，用于3D打印金剛石復合材料。該材料已經過測試并保持了純金剛石的物理特性。

山特維克開發(fā)了專有的后處理步驟，復合材料的硬度是鋼的三倍，導熱系數高于銅，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。

硬質合金

湖南伊澍智能制造有限公司研發(fā)了一種硬質合金材料增材制造-3D打印工藝，在這種工藝中，硬質合金-金剛石復合材料中的WC-Co硬質合金層和金剛石層通過3D打印的方式實現層與層之間的結合。這種結合是通過化學鍵方式所進行的結合，相比傳統(tǒng)的物理結合，這種結合方式更牢固，在使用過程中能夠避免涂層的剝落，同時具有較好的硬度。

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，并基于這一工藝開展了對WC-Co硬質合金層-金剛石復合材料組分以及材料增材制造工藝參數的研究。

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

通過對以上工藝制造的樣件，能夠得到熱導系數為500～550W/mK，摩擦系數為0.3～0.5，熱膨脹系數為0.9～1.18×10-6，硬度值為4800～5000HV的硬質合金-金剛石復合材料，材料具有較好的硬度，沖擊韌性為300～320J，能夠很好的避免涂層的剝落。