毫無疑問，3D打印（在工業上也稱為增材制造; AM）已經正在引發制造轉型，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與現狀。《3D打印成為主流制造技術的最新狀態》將分為上下兩篇來進行行業發展透視，上篇將聚焦在3D打印納入主流制造技術的基礎建設部分。

合作比競爭更重要分享為上上策

安全監管與知識產權

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，監管和知識產權（IP）方面也引入了業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。

驗證與標準化

在考慮在關鍵工業應用中使用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技術的快速發展要求快速開發新型增材制造零件的新標準。

商業化驗證

殼牌正在開發AM增材制造項目，目前，殼牌正在開發據稱是世界上第一臺3D打印壓力容器。在這種開創性的努力中，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作做出貢獻，這將有利于整個行業。隨著新技術的發展，標準和法規也需要開發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（在工業上也稱為增材制造; AM）已經正在引發制造轉型，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與現狀。《3D打印成為主流制造技術的最新狀態》分為上下兩篇來進行行業發展透視，下篇將聚焦在3D打印材料與工藝的進展。

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年由創新英國（Innovate UK）資助的快速鍛造（FAST-forge）計劃旨在開發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。

2、不銹鋼

改性鋼

在SLM選區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。

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。

除了20MnCr5粉末外，GKN增材制造材料還開發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。

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議，該協議包括使用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，激光難以持續熔化銅金屬粉末，從而導致成形效率低，冶金質量難以控制。

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。

初創的航天企業Launcher與合作伙伴3T、EOS也開發了3D打印銅合金火箭發動機部件，3D打印技術的應用可以減少發動機零件數量，縮短開發時間，并且更加易于制造復雜功能集成的部件，Launcher開發的3D打印銅合金（Cucrzr）發動機部件就集成了復雜冷卻通道，這一設計將使發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。

4、鋁合金

開始越過發展門檻的鋁合金

SLM選區金屬熔化技術

鋁合金，由于其天然的輕量化特點，在工業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。

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。抗拉強度可以從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。

根據中國日報，蘇州倍豐創始人、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5000小時的穩定試驗， 相當于發動機常規服役25年的要求。

南京航空航天大學幾年前開發出基于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選區激光金屬熔化3D打印技術所加工鋁合金的發展情況。隨著鋁合金材料以及粘結劑技術的發展，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Equispheres開發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（優于95％）和優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。

3D打印砂型+鑄造

1、金剛石與硬質合金

金剛石

山特維克開發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，從發電到采礦再到醫療植入物，各種各樣的行業都可以從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。