3D打印进入主流制造技术的

毫无疑问，3D打印（在工业上也称为增材制造; AM）已经正在引发制造转型，从快速交付备件到定制化生产，增材制造技术可以帮助简化设备维护，加速研发过程以及通过功能为导向的设计来提升产品性能。

同时，材料工程师正在积极扩展可3D打印材料的界限，不仅包括塑料和金属，还包括纳米材料，生物基材料等，3D打印正在逐渐成为主流制造技术。本期，3D科学谷与谷友来共同领略3D打印纳入主流制造技术的挑战与现状。《3D打印成为主流制造技术的最新状态》将分为上下两篇来进行行业发展透视，上篇将聚焦在3D打印纳入主流制造技术的基础建设部分。

合作比竞争更重要分享为上上策

安全监管与知识产权

3D打印/ AM增材制造技术为制造商提供了前所未有的灵活性，在安全，监管和知识产权（IP）方面也引入了业界刚刚开始理解的一些敏感问题。根据3D科学谷的市场观察，为了解决这些问题，宾夕法尼亚州立大学正在提供有关增材制造法律问题的首个研究生课程。

验证与标准化

在考虑在关键工业应用中使用3D打印零部件的安全方面时，验证和标准化也是必不可少的，但是受管制行业的相关标准尚未完全实现，例如，目前没有针对AM增材制造组件的ASME压力容器标准，然而，AM技术的快速发展要求快速开发新型增材制造零件的新标准。

商业化验证

壳牌正在开发AM增材制造项目，目前，壳牌正在开发据称是世界上第一台3D打印压力容器。在这种开创性的努力中，重要的是通过产品的资格认证，不仅要满足法律和安全要求，还要为供应链中的协作做出贡献，这将有利于整个行业。随着新技术的发展，标准和法规也需要开发以促进纳入这些新的工作方式，并确保它们是安全的，满足法律要求的，从而为最终用户提供质量和制造能力的保证。

毫无疑问，3D打印（在工业上也称为增材制造; AM）已经正在引发制造转型，从快速交付备件到定制化生产，增材制造技术可以帮助简化设备维护，加速研发过程以及通过功能为导向的设计来提升产品性能。

同时，材料工程师正在积极扩展可3D打印材料的界限，不仅包括塑料和金属，还包括纳米材料，生物基材料等，3D打印正在逐渐成为主流制造技术。本期，3D科学谷与谷友来共同领略3D打印纳入主流制造技术的挑战与现状。《3D打印成为主流制造技术的最新状态》分为上下两篇来进行行业发展透视，下篇将聚焦在3D打印材料与工艺的进展。

更多的选择更好的性能

最令人兴奋的领域之一是金属领域新材料的发展，金属3D打印正在从高端的钛合金、镍基高温合金等材料的3D打印应用越来越广泛的应用到不锈钢、铜合金、铝合金等材料的3D打印领域，从而扩展3D打印零件的应用前景。

1、钛合金

从70美金一公斤到2.5美元一公斤的工艺成本？

2018年由创新英国（Innovate UK）资助的快速锻造（FAST-forge）计划旨在开发一种更便宜和更丰富的钛粉制造工艺。这种更低成本的钛粉3D打印材料将进一步打开钛在增材制造领域的市场空间。不仅钛金属粉末的制造更快，而且更便宜，钛的金属3D打印工艺也将获得提升。英国似乎在酝酿颠覆性的钛金属粉末生产和钛金属零件制造技术。

2、不锈钢

改性钢

在SLM选区激光金属熔化加工过程中，快速移动的激光熔化金属颗粒，形成熔融金属的“轨道”。这种熔化轨道非常脆弱，容易坍塌，特别是在较低的倾斜角度下。澳洲的格拉茨技术大学开发了一种改进不锈钢颗粒表面的方法，使得部件的倾斜表面在3D打印过程中不会变形，从而降低了与支撑结构相关的成本。

粒子的表面经过修改，因此它们可以更智能地与熔融金属相互作用，此外，通过使钢粉更容易3D打印，以减少材料浪费，并且在工艺结束时可以回收更多多余的钢粉。目前主要集中在316L不锈钢上，但格拉茨技术大学也有计划将扩展到其他钢种。

低合金钢

GKN推出的低合金钢扩大了激光粉末床熔化金属3D打印工艺（LPBF）和粘结剂喷射金属3D打印工艺（Binder Jetting)的材料范围。GKN增材制造材料的ANCORAM?4605是一种含有镍，钼和锰的气体或水雾化低合金钢粉，已经上市销售，被认为是制造特殊厚截面零件的理想选择。而所有低合金钢的粒度均适用于LPBF和粘合剂喷射工艺。

除了20MnCr5粉末外，GKN增材制造材料还开发了一系列用于增材制造的低合金钢粉末，这些粉末在淬透性，热处理和机械性能方面各不相同。每种粉末的区别在于不同的金属组成，其中包含不同水平的碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）、钼（Mo）、镍（Ni）和铬（Cr）。

耐磨钢

VBN开发的EBM金属3D打印高合金高速钢粉末材料被命名为Vibenite系列，目前已开发出5种不同型号的材料：耐腐蚀、耐磨Vibenite 350高合金钢；高耐磨、高韧性高合金钢Vibenite 150；耐磨、耐热材料Vibenite 280；坚硬材料Vibenite 290；新型混合硬质合金Vibenite 480。

2018年末,VBN与一家全球工程集团签署了价值数百万欧元的许可协议，该协议包括使用VBN材料与增材制造工艺为某特定细分领域生产高强度组件。VBN目前还与岩石钻探企业Epiroc共同测试Vibenite 480材料3D打印部件在岩石钻探中的应用。

3、铜合金

材料与激光器的发展推动铜合金3D打印

铜似乎不适合用于3D打印来加工，因为这种金属容易直接反射3D打印机的激光束。铜金属在激光熔化的过程吸收率低，激光难以持续熔化铜金属粉末，从而导致成形效率低，冶金质量难以控制。

国际上，Aerojet Rocketdyne在火箭铜合金推力室3D打印领域取得的突破，为制造新一代RL10发动机带来了可能性。3D打印铜合金推力室部件将替代以前的RL10C-1推力室部件。被替代的推力室部件是由传统工艺制造的，由多个不锈钢零件焊接而成，而3D打印的铜合金推力室部件则由两个铜合金零件构成。

初创的航天企业Launcher与合作伙伴3T、EOS也开发了3D打印铜合金火箭发动机部件，3D打印技术的应用可以减少发动机零件数量，缩短开发时间，并且更加易于制造复杂功能集成的部件，Launcher开发的3D打印铜合金（Cucrzr）发动机部件就集成了复杂冷却通道，这一设计将使发动机冷却效率得到提升。

关于铜的3D打印用激光器，根据IDTechEx Research的《激光二极管与直接二极管激光器，2019-2029年：技术、市场与预测》报告，过去30年来，激光二极管的平均功率显著提升，而每瓦平均价格却呈指数级下降。因此，激光二极管正在取代一些已有的激光和非激光技术，同时也使全新的光学技术成为可能。

4、铝合金

开始越过发展门槛的铝合金

SLM选区金属熔化技术

铝合金，由于其天然的轻量化特点，在工业制造领域占有重要的一席之地。根据SmarTech的预测，铝合金占金属3D打印中所有金属粉末的消耗量（按体积计算）从2014年的5.1%逐渐提高到2026年的11.7%左右，铝合金在汽车行业的10年复合增长率在51.2%。铝合金材料的全球供应链似乎已经“越过门槛”，成为支持增材制造技术的下一代机遇。铝合金的3D打印现在开始赶上镍，钢和钛。

压铸合金AlSi10Mg类似美国合金360,虽然这并不是一个被广泛认可的高强度铸造合金，但它已被证明通过适当的热处理能够产生相当高的强度，3D科学谷了解到虽然这一事实也还备受争议。但从广义上讲，这种合金可以通过标准的热处理工艺，固溶处理后人工时效，称为T6周期。溶液处理500°C以上，4-12h，温度不应超过550°C，其次是水或聚合物熔体淬火。人工老化温度在155°C-165°C之间，时间6-24h，通过精确的时间和温度控制最终性能。抗拉强度可以从220MPa到340MPa之间，抗拉屈服强度在180MPa和280MPa之间。其他合金包括169（A357）和AlSi7Mg。

根据中国日报，苏州倍丰创始人、澳大利亚工程院吴鑫华院士领导莫纳什大学研究团队成功开发出了牌号为Al250C的高强高韧增材制造专用铝合金材料，为3D打印铝合金材料再添一名明星成员。Al250C是研究团队专门为3D打印设计的材料，已经达到了批产和商业化使用阶段。Al250C材料强度达到目前可用于3D打印的铝合金材料中最高水平，屈服强度可达580MPa，抗拉强度590MPa以上，延伸率可达11%，制备构件通过了250℃高温下持续5000小时的稳定试验， 相当于发动机常规服役25年的要求。

南京航空航天大学几年前开发出基于SLM成形的铝基纳米复合材料，用于激光增材技术领域，有效的解决铝基纳米复合材料在激光增材过程中工艺性能与力学性能不匹配、增强颗粒分布不均匀以及陶瓷相与基材相之间润湿性较差的问题，使得所获得的产品具备良好的界面结合以及优异的力学性能。

5、粘结剂喷射间接金属3D打印技术

上述的是通过SLM选区激光金属熔化3D打印技术所加工铝合金的发展情况。随着铝合金材料以及粘结剂技术的发展，通过粘结剂喷射间接金属3D打印工艺实现铝合金零部件增材制造具有了更高可行性。根据3D科学谷市场观察，材料科学企业Equispheres开发了一种适用于粘结剂喷射3D打印的新型铝合金粉末。Equispheres与加拿大麦吉尔大学合作对AlSi10Mg铝合金粉末进行了测试，观察到Equispheres标准AlSi10Mg铝合金粉末具有无压缩、亚固相烧结，以及具有良好的致密化（优于95％）和优异的微观结构等特点，该材料能够适用粘结剂喷射3D打印及其后处理中的烧结过程。

3D打印砂型+铸造

1、金刚石与硬质合金

金刚石

山特维克开发了专有的后处理步骤，复合材料的硬度是钢的三倍，导热系数高于铜，密度接近铝，从发电到采矿再到医疗植入物，各种各样的行业都可以从3D打印金刚石中受益。

硬质合金

湖南伊澍智能制造采用的增材制造工艺为基于粉末床熔融的电子束熔化（EBM）3D打印技术，并基于这一工艺开展了对WC-Co硬质合金层-金刚石复合材料组分以及材料增材制造工艺参数的研究。

材料的研究包括对WC-Co硬质合金中Co的质量含量、粒径，金刚石材料的粒径、纯度，以及两种材料的质量比等方面。在工艺参数方面，湖南伊澍智能制造探索了这种复合材料的3D打印参数，例如电子束熔化扫描的扫描速率、电流、熔化温度等。