3D打印進(jìn)入主流制造技術(shù)的最新?tīng)顟B(tài)
魔猴君 行業(yè)資訊 1868天前
毫無(wú)疑問(wèn)，3D打?。ㄔ诠I(yè)上也稱(chēng)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(jiǎn)化設(shè)備維護(hù)，加速研發(fā)過(guò)程以及通過(guò)功能為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)來(lái)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(lái)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?tīng)顟B(tài)》將分為上下兩篇來(lái)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。
數(shù)字化與3D打印釋放制造潛力。來(lái)源：西門(mén)子
合作比競(jìng)爭(zhēng)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(kāi)始理解的一些敏感問(wèn)題。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，為了解決這些問(wèn)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(wèn)題的首個(gè)研究生課程。
根據(jù)賓夕法尼亞州立大學(xué)，有了增材制造技術(shù)，其中一個(gè)挑戰(zhàn)是如何保護(hù)零件的設(shè)計(jì)，有時(shí)候人們可能沒(méi)有意識(shí)到自己可能違反了其他人的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。在某些情況下，復(fù)制零件可以像掃描零件一樣簡(jiǎn)單，從而生成可以3D打印的零件三維實(shí)體模型。賓夕法尼亞州立大學(xué)開(kāi)發(fā)了認(rèn)證3D打印部件的方法，包括嵌入式化學(xué)標(biāo)簽 – 基本上是一個(gè)“指紋”，可以用光譜檢測(cè)，以提供部件來(lái)源的驗(yàn)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(huì)影響屬性的輔助材料，但可用于驗(yàn)證零件是否真實(shí)。
化學(xué)標(biāo)簽是一種驗(yàn)證零件和保護(hù)專(zhuān)有設(shè)計(jì)的方法。來(lái)源：Penn State
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(méi)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(kāi)發(fā)新型增材制造零件的新標(biāo)準(zhǔn)。
標(biāo)準(zhǔn)化的一個(gè)關(guān)鍵是跨行業(yè)協(xié)作和數(shù)據(jù)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(yīng)用情況下。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ANSI）和America Makes已經(jīng)啟動(dòng)了標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)工作，將AM增材制造技術(shù)和零件標(biāo)準(zhǔn)化的相關(guān)數(shù)據(jù)匯集在一起。ASTM也在這方面做了大量的工作。不過(guò)仍有許多工作要做，因?yàn)樵S多公司都不愿意分享專(zhuān)有研究或運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，特別是對(duì)于花費(fèi)了數(shù)百萬(wàn)美元所生成的那些數(shù)據(jù)。歐瑞康在共享數(shù)據(jù)方面也做了大量的工作，通過(guò)與工業(yè)制造商的合作開(kāi)發(fā)工作，將數(shù)據(jù)共享給FAA等組織機(jī)構(gòu)，來(lái)為3D打印進(jìn)入主流制造技術(shù)鋪平道路。在大多數(shù)情況下，合作比競(jìng)爭(zhēng)更重要，分享比保密更有利于發(fā)展。對(duì)于粉末床選區(qū)金屬熔化3D打印技術(shù)來(lái)說(shuō)，3D打印壓力容器仍然是一個(gè)特別關(guān)注的領(lǐng)域，熱交換器和散熱器也是如此，而帶點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)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(jīng)濟(jì)性。
商業(yè)化驗(yàn)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(shè)施的所有流程都滿足檢查要求。獨(dú)立驗(yàn)證和鑒定是降低風(fēng)險(xiǎn)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(guó)劍橋）合作，制定了一套專(zhuān)門(mén)的指導(dǎo)方針，旨在對(duì)通過(guò)AM生產(chǎn)的金屬部件進(jìn)行認(rèn)證，并自2016年開(kāi)始對(duì)3D打印設(shè)施進(jìn)行認(rèn)證。這些指導(dǎo)原則考察了許多因素，包括：原料收貨，儲(chǔ)存和處理; 設(shè)備資質(zhì); 過(guò)程控制; 人員培訓(xùn); 健康，安全和環(huán)境方面的考慮等等。最近，LR應(yīng)用其指導(dǎo)方針檢查和鑒定在阿姆斯特丹殼牌技術(shù)中心運(yùn)營(yíng)的粉末床熔化3D打印設(shè)施。在3D打印中，許多變量會(huì)影響零部件的機(jī)械性能，這可能會(huì)對(duì)所生產(chǎn)零件的一致性帶來(lái)各種風(fēng)險(xiǎn)。LR的資格證明了通過(guò)對(duì)流程和質(zhì)量的控制降低操作風(fēng)險(xiǎn)。
殼牌在其阿姆斯特丹技術(shù)中心的粉末床熔化3D打印零件。來(lái)源：殼牌
殼牌正在開(kāi)發(fā)AM增材制造項(xiàng)目，目前，殼牌正在開(kāi)發(fā)據(jù)稱(chēng)是世界上第一臺(tái)3D打印壓力容器。在這種開(kāi)創(chuàng)性的努力中，重要的是通過(guò)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(kāi)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(wú)疑問(wèn)，3D打?。ㄔ诠I(yè)上也稱(chēng)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(jiǎn)化設(shè)備維護(hù)，加速研發(fā)過(guò)程以及通過(guò)功能為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)來(lái)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(lái)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。《3D打印成為主流制造技術(shù)的最新?tīng)顟B(tài)》分為上下兩篇來(lái)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。
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(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(lái)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(guó)（Innovate UK）資助的快速鍛造（FAST-forge）計(jì)劃旨在開(kāi)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(kāi)鈦在增材制造領(lǐng)域的市場(chǎng)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(guó)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)。
DSTL國(guó)防科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室通過(guò)將鈦粉生產(chǎn)的40個(gè)階段工藝簡(jiǎn)化為兩個(gè)步驟，這可能使得鈦零件的生產(chǎn)成本減半，徹底改變了鈦的生產(chǎn)。總部位于南約克郡Rotherham的Metalysis公司也參與了FAST-forge項(xiàng)目。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，Metalysis還獲得1700萬(wàn)美元的資金以推進(jìn)3D可打印金屬合金粉末的研發(fā)與制造能力，Metalysis在開(kāi)發(fā)一種粉末生產(chǎn)工藝，該工藝可以以更低的成本來(lái)生產(chǎn)合金粉末。
Metalysis的專(zhuān)有技術(shù)可以使用金紅石直接將鈦金屬電解成粉末狀。宣稱(chēng)，其專(zhuān)有的技術(shù)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(jù)稱(chēng)，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(dāng)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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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。
預(yù)計(jì)這種材料將在2020年進(jìn)行工業(yè)產(chǎn)業(yè)化的示范，商業(yè)化產(chǎn)品將進(jìn)入市場(chǎng)。這種改性鋼粉末材料特別適用于拓?fù)鋬?yōu)化零部件，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和先進(jìn)的管道和閥門(mén)系統(tǒng)。外一家位于美國(guó)西海岸的創(chuàng)業(yè)企業(yè)Velo 3D開(kāi)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(duì)支撐結(jié)構(gòu)的需求。
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(xiāo)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。
GKN還成功開(kāi)發(fā)出20MnCr5，這是另一種低合金鋼粉末材料，適用于汽車(chē)原型制造應(yīng)用，提供汽車(chē)零件所需要的機(jī)械性能。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，保時(shí)捷工程公司在確定這種材料的應(yīng)用可行性后，開(kāi)發(fā)了一種新的電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)。20MnCr5鋼粉具有高強(qiáng)度、高延展性、高疲勞強(qiáng)度，通過(guò)表面硬化具有優(yōu)異的耐磨性。20MnCr5材料對(duì)于汽車(chē)行業(yè)來(lái)說(shuō)打開(kāi)了增材制造的新空間，汽車(chē)行業(yè)將首先通過(guò)這種低合金鋼材料進(jìn)行原型制造，然后確認(rèn)是否可擴(kuò)展到大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。通過(guò)3D打印制造的零件允許工程師在幾周內(nèi)（如果不是幾天）完成設(shè)計(jì)驗(yàn)證，并進(jìn)入到下一輪的設(shè)計(jì)迭代周期中。
除了20MnCr5粉末外，GKN增材制造材料還開(kāi)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
瑞典金屬粉末材料公司VBN Components 結(jié)合具體的工業(yè)應(yīng)用需求與增材制造-3D打印工藝，開(kāi)發(fā)了新一代高強(qiáng)度、含碳化物的高速鋼材料。這類(lèi)材料適合制造耐磨損部件，如齒輪加工刀具、食品加工設(shè)備零部件、采礦設(shè)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(shù)難加工的材料，VBN 通過(guò)電子束熔融（EBM）3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了這類(lèi)材料的制造。
VBN 開(kāi)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(kāi)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。
其中，沃爾沃建筑設(shè)備公司正在使用通過(guò)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(biāo)準(zhǔn)滾齒刀進(jìn)行了比較。結(jié)論是，當(dāng)Vibenite 280材料制造的刀具以正常進(jìn)給運(yùn)行時(shí)（切割深度相同），刀具使用壽命延長(zhǎng)至2.2倍。
2018年末,VBN與一家全球工程集團(tuán)簽署了價(jià)值數(shù)百萬(wàn)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(cè)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(lái)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(guò)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。
繼2016年和2017年，NASA 在馬歇爾太空飛行中心對(duì)3D打印的GRCop-84組件進(jìn)行熱火試驗(yàn)后，NASA的銅基和鎳基合金3D打印技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到這些技術(shù)所制造的零件通過(guò)熱火試驗(yàn)。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，多家制造企業(yè)在開(kāi)發(fā)銅合金3D打印工藝。國(guó)內(nèi)金屬3D打印企業(yè)鉑力特已在銅金屬激光成形領(lǐng)域取得了進(jìn)展，研制出針對(duì)難熔金屬和高導(dǎo)熱、高反射金屬的3D打印工藝，實(shí)現(xiàn)了復(fù)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(guó)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(lái)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(chǎng)與預(yù)測(cè)》報(bào)告，過(guò)去 30 年來(lái)，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。
2018 年，島津公司擬（日本）實(shí)現(xiàn)了其 BLUE IMPACT 藍(lán)光沖擊二極管激光器的商業(yè)化，。島津 450 納米藍(lán)色二極管激光器的一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用是銅材料的 3D 打印。銅對(duì)藍(lán)色激光的吸收率很高，背反射的減少可以使加工過(guò)程變快，這對(duì)傳統(tǒng)的紅外激光器是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。新研發(fā)的 3D 打印機(jī)可以用純銅粉高效打印物體。現(xiàn)有的 3D 打印機(jī)技術(shù)一般采用 CuCr1Zr 等銅合金來(lái)代替純銅。
4、鋁合金
開(kāi)始越過(guò)發(fā)展門(mén)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(cè)，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(chē)行業(yè)的10年復(fù)合增長(zhǎng)率在51.2%。鋁合金材料的全球供應(yīng)鏈似乎已經(jīng)“越過(guò)門(mén)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(kāi)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(zhì)增材制造金屬粉末。AlSi10Mg-硅/鎂組合帶來(lái)顯著的強(qiáng)度和硬度的增加。這種鋁合金適用于薄壁，復(fù)雜的幾何形狀的零件，是需要良好的熱性能和低重量場(chǎng)合中理想的應(yīng)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(yīng)用包括汽車(chē)，航空航天和航空工業(yè)級(jí)的原型及生產(chǎn)零部件，例如換熱器這樣的薄壁零件。
壓鑄合金AlSi10Mg類(lèi)似美國(guó)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(guò)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(zhēng)議。但從廣義上講，這種合金可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的熱處理工藝，固溶處理后人工時(shí)效，稱(chēng)為T6周期。溶液處理500°C以上， 4-12h，溫度不應(yīng)超過(guò)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(guò)精確的時(shí)間和溫度控制最終性能。抗拉強(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。
此外，市場(chǎng)研究另外專(zhuān)有的合金如Scalmalloy已經(jīng)被用于空客的增材制造應(yīng)用中，這是一些令人興奮的進(jìn)展。HRL實(shí)驗(yàn)室的研究人員根據(jù)晶體學(xué)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(jìn)行功能化之后，這些先前與增材制造制造不相容的高強(qiáng)度鋁合金可以使用粉末床選擇性激光熔化設(shè)備進(jìn)行成功的加工。成型后的材料無(wú)裂紋，等軸（即，其長(zhǎng)度，寬度和高度上的晶粒大致相等），實(shí)現(xiàn)了細(xì)晶粒微觀結(jié)構(gòu)，并與鍛造材料具有相當(dāng)?shù)牟牧蠌?qiáng)度。
根據(jù)中國(guó)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(kāi)發(fā)出了牌號(hào)為Al250C的高強(qiáng)高韌增材制造專(zhuān)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(zhuān)門(mén)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(guò)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。
總部位于英國(guó)的鑄造專(zhuān)家Aeromet International專(zhuān)利的用于增材制造的鋁合金粉末A20X所制造的零件已經(jīng)超過(guò)500MPa的極限拉伸強(qiáng)度（UTS）。Aeromet 稱(chēng)，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(qiáng)鋁合金粉末之一”。A20X是一種鋁 – 銅合金材料，具有精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)，與其他合金相比，具有“高的強(qiáng)度，抗疲勞和優(yōu)化的熱性能?！蹦壳耙勋@得金屬材料特性開(kāi)發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化（MMPDS）和航空航天材料標(biāo)準(zhǔn)（AMS）的批準(zhǔn)，該材料已被全球領(lǐng)先的航空鑄造供應(yīng)商采用。
南京航空航天大學(xué)幾年前開(kāi)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(guò)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(rùn)濕性較差的問(wèn)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(guò)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(guò)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(chǎng)觀察，材料科學(xué)企業(yè)Equispheres 開(kāi)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(cè)試，觀察到 Equispheres標(biāo)準(zhǔn)AlSi10Mg鋁合金粉末具有無(wú)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(guò)程。
作為汽車(chē)制造中大量使用的鋁合金材料，一直以來(lái)難以搭上粘結(jié)劑噴射技術(shù)的順風(fēng)船，以更低的成本和更高的效率實(shí)現(xiàn)汽車(chē)零部件增材制造。主要原因是粘結(jié)劑噴射3D打印工藝在完成打印后需要進(jìn)行燒結(jié)后處理，在此過(guò)程中易導(dǎo)致鋁合金燃燒，這是粘結(jié)劑噴射3D打印進(jìn)行鋁合金加工的一大挑戰(zhàn)。從這個(gè)角度來(lái)看，Equispheres 推出的可用于粘結(jié)劑噴射技術(shù)的鋁合金粉末則為該技術(shù)的應(yīng)用打開(kāi)了新空間。但粘結(jié)劑噴射3D打印鋁合金的機(jī)械性能與硬度能否滿足汽車(chē)零部件制造領(lǐng)域的要求，3D科學(xué)谷將保持關(guān)注。
3D打印砂型+鑄造
此外，3D打印砂型與鑄造的方式是生產(chǎn)鎂鋁合金的一種現(xiàn)實(shí)可行的方法。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，國(guó)際上，關(guān)于鑄造在交通工具領(lǐng)域的輕量化應(yīng)用，一個(gè)現(xiàn)實(shí)的例子是歐特克通過(guò)voxeljet-維捷的3D打印設(shè)備來(lái)制造熔模并鑄造鎂鋁合金，從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)座椅的輕量化。這種座椅結(jié)構(gòu)件適合任何標(biāo)準(zhǔn)的商用噴氣式飛機(jī)，預(yù)計(jì)可以通過(guò)減重為航空公司節(jié)約數(shù)百萬(wàn)美元的成本。
1、金剛石與硬質(zhì)合金
金剛石
山特維克增材制造部門(mén)的研究人員通過(guò)立體光刻技術(shù)（SLA）開(kāi)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(fù)合材料。該材料已經(jīng)過(guò)測(cè)試并保持了純金剛石的物理特性。
山特維克開(kāi)發(fā)了專(zhuān)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
湖南伊澍智能制造有限公司研發(fā)了一種硬質(zhì)合金材料增材制造-3D打印工藝，在這種工藝中，硬質(zhì)合金-金剛石復(fù)合材料中的WC-Co硬質(zhì)合金層和金剛石層通過(guò)3D打印的方式實(shí)現(xiàn)層與層之間的結(jié)合。這種結(jié)合是通過(guò)化學(xué)鍵方式所進(jìn)行的結(jié)合，相比傳統(tǒng)的物理結(jié)合，這種結(jié)合方式更牢固，在使用過(guò)程中能夠避免涂層的剝落，同時(shí)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(shù)，并基于這一工藝開(kāi)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。
通過(guò)對(duì)以上工藝制造的樣件，能夠得到熱導(dǎo)系數(shù)為500～550W/mK，摩擦系數(shù)為0.3～0.5，熱膨脹系數(shù)為0.9～1.18×10-6，硬度值為4800～5000HV的硬質(zhì)合金-金剛石復(fù)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。
