对新型轻质材料和热交换效率的提高在很多领域都有具有极大需求，如航空航天、汽车、半导体领域等，尤其在散热器应用中，高效的换热效率有助于提高能源效率和输出功率。以粉末床熔融为代表的金属3D打印工艺为制造具有更大散热面积的复杂结构散热器带来了可能，但其生产效率和成本成为限制应用的主要障碍。 那么，号称能够实现低成本、大规模制造的粘结剂喷射金属3D打印能否为散热器的制造提供可能？ 2022年11月，理光扩建了其位于英国特尔福德的客户体验中心，它将特别有利于那些考虑将金属粘结剂喷射3D打印技术用于电动汽车 (EV)、电动飞机等领域的客户，以创造新的价值，如提高电子元件（如电机和电池）的能源效率。这个致力于增材制造的客户体验中心将加速理光与制造业客户和合作伙伴的共同创造，同时帮助理光加深对客户潜在应用痛点的理解，从而提供包括3D打印机和生产工作流程在内的整体解决方案。 不使用激光，3D打印低成本制造 理光于2021年11月推出了能够打印铝合金的粘结剂喷射金属3D打印机，能够制造现有工艺无法制造的形状复杂的铝质零件，如轻量化零件、高性能热交换零件等。其目标是在其整个价值链中实现温室气体零排放，使客户能够通过使用理光的3D打印机开发高能效产品，从而为实现零碳社会做出贡献。 理光声称其3D打印技术可以批量生产铝合金部件，而铝合金因导热性好且重量轻而被广泛使用，更是制造散热器的重要材料。理光的金属3D打印技术可以生产形状更复杂的金属部件，如复杂的狭窄管道。使用铸造和切割等传统金属加工方法无法生产此类零件，而使用基于激光的3D打印则成本很高。 理光粘结剂喷射金属3D打印的铝合金零件 理光一直在开发高清工业喷墨打印头，在喷射类3D打印技术中，理光喷头的占有率非常高，能够喷射大尺寸墨滴的Gen4有非常大的应用前景，Stratasys的Polyjet技术的工业级3D打印机产品全部应用的理光喷头。通过将这些技术用于金属3D打印技术的开发，理光可以在高速的情况下可靠的生产金属零件。 克服两点困难 脱脂烧结，是粘结剂喷射金属3D打印工艺的重要步骤。对于铝质零件来说，由于粉末表面有很强的表面氧化物，因此阻碍了铝粉的烧结，这也是很长一段时间内均无法使用该工艺成型制造铝合金的原因。为了解决这个问题，理光开发了一种具有特殊配方的铝合金粉末、粘结剂以及适合这些条件的烧结方法。 理光铝合金粘结剂喷射金属3D打印烧结流程 粉末清理，也是粘结剂喷射金属3D打印工艺的重要环节。在打印完成和固化之后，零件需要从粉末中清理出来。然而，当零件的形状非常复杂时，刷子和气枪可能无法清除所有粉末。理光一直在开发一种技术，可以通过浸入溶剂中轻松去除多余的粉末。因此，理光的技术支持制造结构非常复杂的零件（如狭窄的内部通道）。   通过溶液去除管道内的粉末 理光可打印复杂的狭窄管道 理光粘结剂喷射金属3D打印的复杂结构具有散热应用潜力 理光株式会社旗下的增材制造业务中心总经理表示，许多产品存在技术问题，如散热问题或减重限制，它们无法充分发挥作用。理光希望其独特的铝合金粘结剂喷射3D打印技术将为解决客户面临的这些问题做出重大贡献。随着客户体验中心的开放，理光希望加快与客户的共同创造，为客户产品提高附加值，为零碳社会做出重大贡献。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.盘点：2022年值得关注的3D打印新材料、新工艺和新应用突破 2.最新市场格局：粘结剂喷射金属3D打印，将塑造一个蓬勃发展的市场 3.富士康粘结剂喷射金属3D打印项目或受挫，合作方陷控制权争夺 4.弥补短板，MIM制造商将粘结剂喷射金属3D打印技术纳入生产体系

当前材料仍然是限制3D打印技术应用的关键因素，无论是专门的材料开发商还是如NASA或北航王华明教授团队这样的用户或技术开发团队，都试图开发出更高性能的材料。实际上，研究人员已经不仅仅在开发适合于3D打印成型的材料，也在利用3D打印技术开发新材料，而有些材料对于3D打印的工艺也会“非常挑剔”。 在总结2022年之前，3D打印技术参考先来回顾一下2021年本领域在工艺和材料方面取得的突破，它包括诞生了一批耐热铝合金、耐高温树脂及耐高温尼龙粉末等新材料，还实现了铝合金、铜合金等更多成形工艺突破。2022年，工艺、材料技术以及应用方面继续发展，它们覆盖了当前主流的3D打印工艺以及航空航天、汽车、医疗等多个应用领域。 1. NASA一种新型3D打印合金，将性提升1000倍 4月12日，NASA官网刊发消息，研究团队新开发出一种新型适用于3D打印的高性能合金，能显著提高航空和太空探索系统中零件的强度和耐用性，从而实现更好、更持久的性能。 使用3D打印制造的ODS合金 该新材料是一种氧化物弥散强化合金，被命名为GRX-810，其在极端温度下具有增强的机械性能。在约1000℃时，与当前最先进的材料相比抗压断裂强度翻倍、压裂前拉伸/弯曲灵活性增强3.5倍、在高温应力下的耐久性超过1000倍。NASA指出，这种新合金可用于制造航空航天高温应用环境下的零件，如飞机和火箭发动机内部的零件，它可以在达到断裂点之前承受更严酷的条件。3D打印技术参考注意到，热力学建模和3D打印为开发这一具有突破性能的新型高温合金发挥了重要作用。 评选理由：这款新的金属3D打印材料所带来的性能提升和影响力远超其他材料，是2022年最受关注的新材料之一。 2. 多款高性能铝合金 宝航公司发布了多款高性能铝合金 HS5601超高强度铝合金，这是一种适用于SLM工艺的超高强度铝合金粉末材料，其抗拉强度达到620Mpa，断裂延伸率8%，有望帮助解决航空航天等尖端应用部门对轻质高强材料的需求。 HT4251耐温铝合金，在250℃的高温下，抗拉强度稳定在264.5MPa、屈服强度稳定在198.5MPa，延伸率稳定在15%，表现出了优异的耐温性能。 HC 200双两百高导热铝合金，热导率超过200 W/(m·K，且抗拉强度高于200MPa，特别适用于新型散热器（尤其是微通道散热器）的设计和开发。 宝航公司发布多款高性能铝合金 一种用于3D打印的防爆铝合金粉末 2022年，Equispheres公司开发了一种用于增材制造的不易爆的铝合金粉末，可减少与3D打印材料的日常处理相关的危害。 这种新材料被命名为NExP-1，专为铝合金部件的生产打印而设计，在不改变材料质量或化学成分的情况下实现了关键的安全特性。在打印方面，这种材料的性能与其他铝粉一样，但它具有不易爆炸和不易燃的外优势。 Equispheres公司开发的防爆铝合金 评选理由：铝合金一直都是金属3D打印领域应用的关键材料，在航空航天及汽车领域有广泛应用，以宝航为代表的高性能新材料的市场化无疑会推动行业应用的发展。 3.一种热膨胀树脂3D打印工艺，将推动泡沫制造领域重要创新 传统制造泡沫市场面临着许多挑战——从限制设计的昂贵模具，到高昂的运输成本，再到特定泡沫设计中无法轻松调整的强度和肖氏硬度。3D打印技术参考注意到，Desktop Metal于2022年展示了其在泡沫3D打印方面的创新，采用子公司Adaptive 3D发明的弹性体3D打印技术，开发了新型泡沫材料，能够制造同时保持座椅预期性能和舒适度的轻型汽车和卡车泡沫座椅。 自由泡沫加热膨胀过程 采用FreeFoam树脂和ETEC Xtreme 8K DLP系统进行3D打印，部件可以在大约160-170°C的烘箱中通过短暂加热循环实现按需膨胀。打印部件包含分散的热活化发泡剂，可在材料内部形成闭孔。这种高度可控的工艺使FreeFoam树脂能够根据树脂的等级按照2-7倍持续扩大打印尺寸，从而在所需的公差范围内制造最终部件，同时可以调整想要的柔软度或硬度。这种新工艺允许3D打印机生产比打印机原始构建区域更大的最终泡沫部件，并使泡沫产品能够以紧凑的尺寸运输，用户只需在组装或使用时使其膨胀展开即可。FreeFoam材料预计将于2023年广泛商用。 评选理由：这种新工艺允许3D打印机生产比打印机原始构建区域更大的最终部件，并使泡沫产品能够以紧凑的尺寸运输。对于泡沫制造，这是全新的工艺和材料；对于3D打印，这也是一种全新的展现形式。 4. 一种新型光固化3D打印工艺，能够处理50倍于标准的高粘度树脂 2022年，3D打印机制造商BCN3D推出了一种新型的高粘度树脂立体光刻制造Viscous Lithography Manufacturing(VLM)技术，能够处理比行业标准高50倍的高粘度树脂，获得了3倍于刚性材料的抗冲击性和200%的扛撕裂强度增量。这种工艺的特殊性完全不同于此前的打印方法，为处理高粘度树脂创造了条件。 高粘度树脂层压与打印过程VLM与大多数其他LCD 3D打印机不同，它利用了一种特殊的机械系统，首先将树脂层压到薄膜上，然后该薄膜会被运送到树脂固化的构建区域，再通过曝光实现切片层的成型。由于VLM树脂可以在两种不同的薄膜上（左右两个树脂槽）层压和固化，因此可以加快打印时间，甚至可以将两种树脂组合用于多材料部件和可溶性支撑结构——这是当前树脂3D打印市场上未曾见到的功能。通过使用UV灯和LCD屏幕，无论一次打印1个部件还是100个，VLM都能提供恒定的每层打印时间，从而具有极高的吞吐量。评选理由：这种快速成膜和大表面积成型的结合使VLM成为市场上使用高粘性树脂的最高效的增材制造解决方案。 5. 弗劳恩霍夫新工艺丨电弧+激光混合金属3D打印技术 电弧增材制造以金属丝为原料、电弧作为热源，可以进行大尺寸金属零件快速、高效制造。同时，基于该工艺的设备简单、材料利用率高、成本更低。但3D打印技术参考根据相关文献，电弧增材制造过程以高温液态金属熔滴过渡的方式进行，随堆积层数的增加，堆积零件热积累严重、散热条件差、熔池过热、难于凝固、堆积层形状难于控制。特别在零件边缘堆积时，由于液态熔池的存在，使得零件的边缘形态与成形尺寸的控制变得更加困难。这些问题都直接影响零件的冶金结合强度、堆积尺寸精度和表面质量。由此可见，成形形貌的控制是金属零件增材制造技术的主要瓶颈。 COLLAR Hybrid（同轴激光电弧混合）加工头结构示意图 为解决该问题，弗劳恩霍夫激光技术研究所在今年开发了一种将电弧增材制造和激光沉积融合在一起的混合金属3D打印技术，这种被称为COLLAR Hybrid的工艺能够提高焊接速度、获得更优的表面质量并推动电弧金属3D打印的应用。在新工艺中，研究人员使用同轴定向的环形激光束包围电弧，使其不会脱离，通过强制引导它来提高精度。研究发现，新工艺的材料沉积效率最高可提高150%，相比电弧沉积速度提高了一倍，零件表面质量也显著改善，所需要的后处理也大大减少。 评选理由：弗劳恩霍夫激光技术研究所一直是激光技术和3D打印技术的高端研究机构，电弧增材制造也越来越多的用于制造大尺寸构件，这种新的对电弧的控制策略将减少其应用障碍。 6.GE航空最新：合并150个零件，3D打印1米直径高温合金发动机部件 10月，3D打印技术参考注意到，GE 航空采用GE Additive的粉末床激光熔融装备3D打印了直径1米的In718高温合金航空部件，这是该公司使用金属3D打印工艺制造的尺寸最大航空航天零件之一。通过将150多个零件合并为一个，采用3D打印代替传统铸造，使零件的质量和成本降低了30%，交货时间也从九个多月减少到两个半月，显示出巨大的成本、重量和时间节省。 评选理由：GE Additive最具代表性的技术能力便是大范围合并设计传统零件，使其成为一个整体进行3D打印制造。在过去几年，该公司已经实现了大量经典案例，如知名的Leap发动机燃油喷嘴、GE Catalyst发动机中框组件与燃油加热器等。大量合并零件将带来提高部件寿命、缩短供应链、减少成本等在内的大量的改变。本年度3D打印的1米直径高温合金部件，是迄今为止已报到的该团队3D打印的最大尺寸合并零件，使零件合并与制造达到了新的规模。 7.Relativity Space升级3D打印技术，能水平打印超30米大型零件 2022年，使用先进3D打印技术制造火箭的民营航天公司Relativity Space宣布推出其第四代Stargate 3D打印机，其完全不同于此前常见的垂直方向打印和主流成型尺寸的装备类型。 第四代系统“克服了传统的打印限制”，打印机可以水平移动并能够将多根金属丝送入单个打印头。前三代Stargate打印机的打印速度已经远远超过了行业标准，Stargate 4的打印速度比上一代快7-12倍。Stargate 4消除了影响3D打印机垂直打印高度的天花板限制。通过水平打印，能够生产长达120英尺（约36.5m）、宽24英尺（约7.3m）的零件，打印体积容量是之前第三代产品的55倍。同时需要注意的是，更大的打印尺寸，意味着可以合并更多的零件，火箭的零件组成数量将进一步降低，火箭的总体制造速度也将提升。 评选理由：新的Stargate采用先进的“感知技术”，将计算机视觉、传感器和遥测技术相结合，以实现实时过程监控。这种自上而下的3D打印生产方法，利用软件驱动、机器学习来创建更复杂和更大的金属零件，使该行业实现了前所未有的创新以及颠覆性发展。 8.3D打印用于青藏高原水电站建设，引广泛关注 中国采用3D打印建设大坝的项目，在2022年获得了国内外的广泛报道。3D打印技术参考查询到了与该项目相关的一篇论文——《大型填筑工程3D打印技术与应用》，作者为刘天云副研究员，也就是羊曲大坝项目的首席科学家。文章指出，将人工智能、工程装备、工程技术与工程科学深度交叉融合，实现填筑工程智能建造的+3D打印技术时机已经成熟。 研究团队已研发了多种人工智能机器人协同作业的填筑工程+3D打印装备技术系统，并开展了多项示范工程实践。羊曲水电站从2021年12月26号开工，预计到2024年完工。新技术的使用能够使人们摆脱繁重、重复和危险的工作。 评选理由：将3D打印技术概念运用到如此大型的工程建设中，羊曲水电站的尝试尚属世界首例。 9.金属+陶瓷 | 一种基于烧结，可实现多材料3D打印一体成形的方法 不同于Xjet的纳米材料喷射工艺，Grid Logic公司开发的是一种采用传统粉末冶金技术进行多材料3D打印的工艺，可以在同一工作中3D打印金属和陶瓷。其采用基于粉末的3D打印，没有复杂的喷墨或激光系统，也没有铺粉装置，而是使用挤出式3D打印头进行粉末选择性沉积。在打印的过程中，不同的打印头会在所需要的位置施加不同的材料。打印完成后，将带有所有粉末的整个构建室放入烧结炉中，金属/陶瓷颗粒以传统方式熔合在一起，支撑粉末在烧结过程中继续支撑金属和陶瓷材料，并在一定程度上可以重复使用。 评选理由：这种无热量输入的打印方式使加工高熵合金和磁性粉末更为容易，同时，也为高反射金属的3D打印带来了机遇。包括铜以及钨和钼这些难熔金属，往往会反射激光束，但在烧结时不会造成这样的困难。即使是需要非常高温度才能熔化的陶瓷，也可直接使用该工艺，而无需浆料或其他中间材料形式。铝、钢、青铜也可以与其他金属一起打印，并在烧结过程中发生熔渗。3D打印与传统粉末冶金相结合，为制造带来了更多可能性。 10.混合DLP-SLA技术，实现高效率、高精度3D打印 10月，阿姆斯特丹大学同意将混合立体光刻技术授权给数字光处理 (DLP)…

2022年一篇在Nature发表的文章备受关注，获得了国内外多领域媒体的广泛报道，它就是由美国马萨诸塞大学、佐治亚理工学院、橡树岭国家实验室以及劳伦斯利弗莫尔国家实验室等七家研究机构联合发表的关于高熵合金增材制造的研究。 这篇研究之所以受到关注，是因为研究人员首次利用3D打印技术制造了双相纳米层高熵合金，其表现出约1.3GPa的高屈服强度和约14%的大均匀伸长率，以及近乎各向同性的机械行为，这些出色的性能组合超过了其他最先进的3D打印金属材料。 高性能的获得仍然离不开工艺调整 3D打印通常会产生具有高度不均匀晶粒、亚晶粒位错结构和化学偏析微观结构，这在钴基或镍基高温合金、铝合金、钛合金以及高熵合金中较为常见。共晶高熵合金是一类很有前途的多主元素合金，具有双相片层状异构组织，从而为实现优异的机械性能提供了巨大潜力。采用传统凝固路线获得的层片厚度通常在微米或亚微米范围内，限制了共晶高熵合金可达到的强度。相比之下，3D打印的大温度梯度和快速冷却的特点能够产生纳米层状相并使材料表现出高强度，但通常以牺牲延展性为代价。在这项研究中，研究人员利用激光粉末床熔融（L-PBF）的极端打印条件和高熵化合金的有利成分效应，获得了一种非平衡态的相组织，实现了让人震惊的性能提升。   本研究所获得材料性能与其他材料对比（红框可见其强大的性能） 由于激光加工的参数范围很宽，实现对3D打印材料的微观结构和缺陷的合理控制具有挑战性。使用归一化等效能量密度方法，研究人员确定了一个有效的L-PBF处理窗口，来打印完全致密的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金。 这些组件展示了该合金在各种复杂几何形状方面的出色可打印性 通过调整激光功率和扫描速度，研究人员将层片厚度减少到了数十纳米，并打印了各种具有代表性的工程组件，如散热器风扇、八角桁架微晶格和齿轮结构，这些组件展示了该合金在各种复杂几何形状方面的出色可打印性。 获得高性能的微观组织机理 高屈服强度源于由交替的面心立方体和体心立方纳米层组成的双相结构的强化作用；体心立方纳米层比面心立方纳米层表现出更高的强度和更高的硬化率。 该研究中材料的微观结构 大延展性的产生归因于嵌入微尺度共晶相中的双相纳米层形式的分层微观结构导致的高加工硬化能力，其具有几乎随机的方向以促进各向同性机械性能。 超越最先进合金的最佳性能组合 直接3D打印的AlCoCrFeNi2.1与铸件相比，表现出更为出色的机械性能。其屈服强度达到1.3GPa，大大高于铸件的 510±15 Mpa，提升近三倍。它还在高流动应力下显示出很高的应变硬化率，获得了约14%的大均匀伸长率，同时极限拉伸强度达到1.6GPa。该研究中的共晶高熵合金的层间间距可以通过改变激光加工参数来调整进而改变其机械性能，使用给定的加工方案，沿垂直和水平方向获得了近似似的机械性能。这一结果表明，打印后的纳米层状结构具有几乎随机的形状和晶体学取向，其几乎各向同性的力学行为不同于通过其他途径（如热机械处理和定向凝固）产生的高度排列的层状结构所导致的各向异性力学行为。同时，它也与典型的金属3D打印各向异性行为形成鲜明对比，后者倾向于获得柱状晶粒结构。 该研究中材料在打印态和热处理态的性能 随后的热处理使研究人员能够进一步定制微观结构和相关机械性能。例如，在800°C退火1 h后，实现了超过20%的均匀伸长率，屈服强度约为1 Gpa；在600 °C退火5 h后，屈服强度和极限拉伸强度分别提高到约1.6 GPa和1.9 GPa，均匀伸长率为7.5%。快速凝固的共晶高熵合金微观结构通过退火的高可调性获得了广泛的强度-延展性组合，在此期间可能发生各种固态相变，如沉淀、层状粗化和重结晶。直接比较该研究中材料的拉伸性能与其他高性能增材制造合金，可以发现其表现出出色的强度-延展性组合，超过了最先进的增材制造合金。 END 总的来说，对增材制造高熵合金变形行为机理的理解，对开发具有卓越机械性能的多级、双相和多相纳米结构合金具有广泛意义。这项研究所获得优秀机械性能组合，优于其他先进的3D打印合金，有望催生可用于航空航天、医学、能有和运输等领域的高性能部件。 该研究以“Strong yet ductile nanolamellar high-entropy alloys by additive manufacturing”为题发表，链接如下： https://www.nature.com/articles/s41586-022-04914-8 注：本文内容由3D打印技术参考创作，转载请点击转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.金属激光增材制造中的激光熔化模式 | 清华大学赵沧教授最新研究 2.清华大学：熔体流动如何影响金属3D打印中的枝晶生长 3.NASA：航空航天领域3D打印材料的可获得性、工艺复合制造及成本组成考量 4.长文干货 | 推动3D打印用于汽车行业制造的关键因素

12月29日，3D打印技术参考注意到，Facebook母公司Meta已收购光学镜片3D打印公司Luxexcell，后者可以凭借其独特的的3D打印工艺可以制造智能、处方光学镜片。 Luxexcell成立于2009年，总部位于荷兰，拥有镜片3D打印相关专利，包括专有的硬件、软件、材料和工艺，这些组合可以制造出不同于当前市场上其他可用镜头的高质量产品——智能处方镜片。这种独特的制造工艺对AR/VR市场具有极重要意义，这对于“深陷”元宇宙世界的Meta公司具有革命性的意义。 3D打印技术参考查询发现，智能处方镜片将视力矫正、光学组件以及电子设备融合为了一体，是制造AR/VR镜片的重要组成部分。而该领域的重大难点就在于相当大体量的用户需要进行视力矫正，如近视、远视等，这成为制造该领域镜片的关键障碍。 Luxexcel的打印从一瓶无色液体开始，把装有无色液体的瓶子装在打印机的喷头上，随后微小液滴被喷射到操作台上，此时还是液体，由于液体的表面的张力作用，液滴互相无缝融合，最后经过紫外线的固化形成光滑表面。 镜片打印完一层在紫外线固化的基础上形成了光滑表面后再打印下一层，每个镜片差不多有五层。以正常佩戴的眼镜举例，一个镜片中可能会有几百个微小液滴。 3D打印镜片的厚度是一层一层增加的，Luxexcel通过调整液滴的喷射位置，可以打印不同厚度、不同度数和不同形状的镜片，以达到定制化的效果。需要注意的是，Luxexcel能够在打印过程中集成波导、全息光学元件和液晶箔等，与传统制造AR或VR眼镜需要30余项环节相比具有重大改进。 Luxexcell打印镜片的过程 Luxexcell打印的智能镜片包含多层结构 Luxexcell公司开发的基于树脂的3D打印工艺已被用于制造眼镜、LCD屏幕、含有气隙的波导（应AR眼镜需求而生的光学组件）、AR设备使用的镜片等，截至2020年以为客户打印了超过5万块镜片。尽管能够打印多种类型的镜片，但处方眼镜镜片是吸引Meta公司的关键。 Luxexcell的镜片3D打印机，已打印超过5万片（来源：Luxexcell） Luxexcell制造的智能镜片 Luxexcell可能是Meta公司Aria项目的供应商。该项目旨在成为捕捉佩戴者周围环境并构建Meta 3D资产的测试平台。通过将技术集成到镜片中，并允许它们以大规模定制的方式制作处方镜片，同时还集成了屏幕和LCD，3D打印为Meta相关项目的实施带来了诸多便利，后者因此可以以大规模定制的方式拥有可扩展的流程，为其AR平台制作独特的镜头。 3D打印所取得的技术效果是显而易见的，可以实现高速度、高精度，无需后续抛光打磨，与专业的工业镀膜工艺相融，可以打印任何形状。据报道，Luxexcell的收入不到300万美元，但Meta为本轮收购付出了高昂代价。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.2022年国内3D打印领域被广泛关注的十大重要事件 2.重要进展：Sakuu 3D打印电池将为超级跑车提供动力 3.弗劳恩霍夫新工艺丨电弧+激光混合金属3D打印技术 4.粘结剂喷射+CNC+智能分层，3DEO已发货超130万个3D打印零件

12月9日，首次实施中国运载火箭海上热发射的捷龙三号火箭首飞成功；12月16日，长十一火箭成功发射。这两型火箭均由火箭院抓总研制，其中多种构件采用3D打印技术制造，更有尺寸超过一米级别的零件。 本文内容获火箭院官方相关部门授权发布，将介绍在这两型火箭上3D打印技术的应用。 捷龙三号火箭3D打印构件： 2件卫星支架+1件过渡段产品 2件卫星支架用来放置本次任务发射的14颗卫星，1件过渡段产品用来连接卫星支架和火箭其他部件。 “捷龙”映日（来自中国火箭公司） 长十一火箭3D打印构件： 1件端框+8件支撑杆 它们是卫星支架的组成部分，卫星支架采用的是杆系框架结构设计，即上下端框加中间超薄壁支撑杆结构。 长十一火箭（来自火箭院） 这些构件是火箭院首都航天机械有限公司与总体设计部通力协作的成果。其中捷龙三号火箭的卫星支架和过渡段产品的成形应用的是电弧熔丝增材制造技术；长十一火箭卫星支架的端框和支撑杆的成形应用的是电弧熔丝增材制造技术和激光选区熔化增材制造技术。 电弧熔丝增材制造技术从传统的弧焊发展而来，用电弧热将丝材熔化并按预定轨迹逐层堆积成金属结构件。 激光选区熔化增材制造技术主要用于中小尺寸复杂金属构件的一体化近净成形，如发动机零部件，一体化舵翼，管路阀门，点阵套筒等产品，也可用于防隔热、抗冲击等先进结构的制备。 为什么“打印”这些构件？ 首都航天机械有限公司工艺员张睿泽介绍，卫星支架产品技术状态多变，确定时间较晚，而传统铸造、锻造需要模具，工序多、流程长，难以满足高密度发射的紧张周期要求；应用3D打印技术可快速响应，不仅极大缩短了产品交付周期，而且一体化程度更高，结构减重效果明显，能够满足短周期、低成本的发射需求。 以捷龙三号火箭为例，该火箭搭载14颗卫星，数量多且状态各异。使用电弧熔丝增材制造技术打印卫星支架能够充分发挥小批量、多品种产品柔性生产的特点，可实现复杂结构件的整体制造，提高承载效率。单件产品毛坯成形周期仅为15天，较传统制造方式周期缩短50%以上，为后续各工序环节争取到了宝贵的时间。 以长十一火箭为例，端框和支撑杆全套产品打印周期仅为12天，不仅保证了产品尺寸精度要求，还在满足承载条件下将重量减至最轻。 “打印”这些构件攻克了哪些难题 作为14颗卫星在火箭上的“座椅”，捷龙三号卫星支架直径达1.4米，高度近1米，重量达120千克，整体呈大尺寸弱刚性结构，对成形过程及后续热处理过程的变形控制提出了更高的要求。 技术团队突破了“变形控制+在线测量调整”的大型壳体增材制造变形控制技术，实现毛坯产品尺寸偏差单边小于2毫米。对毛坯产品进行适应性工艺设计，有效调控热处理过程中的变形，实现了无工装变形控制，节约了大量一次性成本。应用了独立研制的以“机器人+变位机”为核心的高效电弧熔丝增材制造系统及自主研发的电弧增材制造路径规划、离线编程与运动仿真软件，成功解决了大型复杂壳体成形难题。 长十一火箭卫星支架的端框呈薄壁方框类结构，幅面尺寸达到1.3米×0.8米，对成形过程中的变形控制提出了较大挑战。 技术团队通过对成形路径的优化及变形量预测，结合对自研的平面协调运动软件功能升级，保障了尺寸要求。长十一火箭卫星支架的支撑杆呈大尺寸V型中空多联通薄壁圆管结构，采用钛合金材料，近600毫米长的支撑圆管壁厚仅为1.2毫米，变形开裂控制风险极高。技术团队通过优化工艺结构、辅助支撑、变形补偿等方式，有效控制了变形，保证了尺寸精度要求，并在满足承载条件下将重量减至最轻。 截至目前，火箭院首都航天机械有限公司已有12件电弧增材产品成功通过了飞行考核，成功率达100%。 除电弧熔丝增材制造技术和激光选区熔化增材制造技术外，火箭院首都航天机械有限公司在3D打印火箭部件方面，还有激光熔化沉积增材制造技术。 激光熔化沉积增材制造技术主要用于大尺寸难加工金属毛坯的制备，如运载火箭捆绑支座、平台支架、舵翼骨架、异形舱体等，亦可实现发动机构件的修复。 后续，火箭院首都航天机械有限公司将与总体设计部继续通力协作，推进3D打印在火箭设计制造中的应用，为航天产品高质高效制造添砖加瓦，为建设制造强国、质量强国、航天强国贡献力量。 注：本文内容发布已获火箭院官方相关部门审核和授权。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.2022年国内3D打印领域被广泛关注的十大重要事件 2.2022年 | 国内外20余款重量级金属3D打印新设备看点 3.百台设备全部就位！西发公司增材制造产业化平稳推进 4.视频：航空航天巨头赛峰集团斥资8000万欧元开设新3D打印园区

弗劳恩霍夫激光技术研究所在今年开发了一种将电弧增材制造和激光沉积融合在一起的混合金属3D打印技术，这种被称为COLLAR Hybrid的工艺能够提高焊接速度并推动金属3D打印中的应用。 电弧增材制造和激光沉积都具有典型的优缺点：激光线材沉积工艺的成本高且沉积效率低，但其热输入低、成形精度比电弧制造高，因此在航空航天工业中应用较多；相比激光沉积，电弧增材制造的成形效率高、成本低，但电弧具有方向性，难以像激光那样实现精准聚焦，因此熔化轨迹不精细、层堆积导致表面非常粗糙。 在新工艺中，研究人员使用同轴定向的环形激光束包围电弧，使其不会脱离，通过强制引导它来提高精度。研究发现，新工艺的材料沉积效率最高可提高150%，相比电弧沉积速度提高了一倍，零件表面质量也显著改善，所需要的后处理大大也减少，同时该工艺可用于制造大型零件。 COLLAR Hybrid（同轴激光电弧混合）加工头结构示意图 研究人员开发并制造了带有玻璃基板的水冷特殊光学器件和用于高性能焊接和增材制造的水冷电弧焊枪，两种能量源叠加在一起，两种单独工艺的优势以有利的方式结合在一起。 在混合工艺中，导线末端和基板之间的电弧以锥形方式被激光束包围，就像项圈一样。这种组合背后的想法是，电弧无法突破这个约束，并被积极引导。新工艺也因这种“强制引导”而得名 COLLAR Hybrid。 Fraunhofer ILT使用新系统技术进一步开发环形光束激光和电弧金属3D打印，而亚琛工业大学焊接与连接研究所 (ISF) 正在使用它来开发与环形聚焦的方向无关的复合焊接和同轴送丝机。 新的COLLAR混合增材制造工艺基于电弧和激光应用的组合 然而，新的混合工艺不仅具有焊接速度更快的特点，根据初步测试，焊接速度比电弧焊快100%左右。传统工艺必须在每个拐角或曲线处转弯，这导致在规划路径时需要大量编程工作。COLLAR工艺凭借其光学器件，可以在各个方向独立焊接。研究人员还希望通过引导电弧满足厚板焊接的要求。 如果需要非常精细的结构，则可以改变能量源的比例。通过关闭电弧使用纯激光或主要是激光，可以进行精细加工；而如果需要提高加工速度，则可以主要使用电弧，从而已更快和更低能耗的方式进行材料加工。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.装机逾500台、21个国家！汉邦科技在上海临港建设金属3D打印新厂房 2.某天然气企业购买「一批」中国高性能聚合物3D打印机 3.发动机部分零组件采用3D打印，我国首台大推力重复使用液氧煤油主发动机试车成功 4.15%部件3D打印制造 | 美客运高超声速发动机完成关键测试，接近首飞

‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍ 近日，中国电子束3D打印领导者清研智束宣布完成亿元级A轮融资，为深处时代变革机遇期的中国3D打印行业再添发展动力。 清研智束是一家清华校友创业企业，也是中国最早从事电子束3D打印产业化的单位。多年来，公司通过牵头、参与多项国家重大科技专项、重点研发计划，牵头制定国家标准等，引领中国电子束3D打印发展的趋势。作为一家充满“清华基因”的企业，国际领先、自主可控是清研智束研发团队的不变追求。在变幻莫测的国际局势下，公司已经成为国内3D打印行业中极少数从核心部件到整机都实现自主设计、自主可控、高度国产化的研发驱动型企业，并将借助本次融资机遇，继续走好市场化、规模化之路。 不断获得客户认可是清研智束的头等发展目标。电子束选区熔融EBSM®作为清研智束拥有自主知识产权的技术，如何在金属增材制造多元的技术分支、蓬勃的市场需求和激烈的市场竞争中脱颖而出？清研智束提出“更新、更大、更高效”的战略目标，即：推出面向高性能难加工合金的全新成形方案和打印服务，实现客户难焊合金、难熔合金、高熵合金、金属间化合物等新材料的打印需求；推出以国际首创多枪阵列技术为基础的更大尺寸打印装备，实现客户更大零部件一体化制造的需求；推出打印效率倍增的批量生产型装备和性价比更高的打印服务，实现客户高自由度打印和传统制造工艺替代的需求。正是基于上述战略和执行能力，清研智束已经与国内航天、航空、能源、医疗等行业的主流单位展开业务合作。 清研智束本轮融资由云晖资本及无锡产业聚丰、水木创投联合领投，钟鼎资本、华德投资等多家投资机构跟投，这些投资机构亦对整个科技创业和增材制造行业有着长期观察和深刻理解。 投资机构寄语 云晖资本 云晖资本联合创始合伙人朱锋：“我们多年来关注和投资中国金属3D打印行业，并成功投资了像华曙高科这样的上市公司。通过对行业的深入理解，我们认为电子束3D打印在未来将与激光3D打印一起成为变更制造业模式的重要力量。相比激光打印的灵巧、个性化、表面光洁度优势，电子束3D打印无疑在高新材料打印、高效率批量化生产方面更具比较优势。我们也相信，在全行业协作推动下，增材制造正从航天、航空等高端制造，快速向民用制造、规模制造渗透。” 水木创投 水木创投管理合伙人吴勇：“水木创投长期关注清华校友科技型创业，近年来在先进制造、生命健康、工业4.0等领域有众多投资案例。本次投资清研智束是水木创投寻找又一个价值链的起点，通过这一新兴制造技术，有望实现绿色、低碳、柔性、高性价比的零部件制造，并支持一批创新企业实现他们的制造模式变革，共同收获更大价值。” 钟鼎资本 钟鼎资本董事总经理崔忱表示：“钟鼎资本投资‘供应链’主题已逾十年。这期间，具有中国特色的供应链亦发生深度变革。柔性、快速、自主可控等成为行业关键词。清研智束具有自主知识产权的电子束3D打印，有望成为新型供应链环节中的重要一环。此外，清研智束兼具稳健、务实和创新的风格也是重要的加成。我们看好清研智束，祝清研取得长足的发展。” 华德资本 华德资本孙宏明博士：“华德资本核心团队拥有二十多年资本市场经验。华德资本自2017年成立以来坚定深耕科技赛道，重点投资于新能源、新材料、新一代信息技术、智能制造、生物医药等高科技行业。本次投资主体是华德诚志重科技基金，聚焦新一代信息技术与智能制造。清研智束利用自主研发、自主可控技术解决国家‘卡脖子’问题，多年专心专注于解决国家重大问题和重大需求，正符合我国近几年推动科创板、鼓励高新技术企业上市的创新战略。我们相信清研智束团队能利用此次融资机遇，进一步夯实研发、扩大产能、开拓市场，实现业务与资本的双轮驱动。”

3D打印技术参考总结发现，国内2022年新发布的金属3D打印装备达到了20余款，覆盖了粉末床激光与电子束熔融、电弧增材制造、粘结剂喷射、熔融挤出等几乎各种工艺，迎合了航空航天、医疗、工业等多个领域的制造需求。知名品牌基本都推出了大、中、小各种规格的装备，具有较好的梯次，且均在向智能化工厂的方向努力。 国外品牌方面，以粘结剂喷射金属3D打印技术的发展最为突出，Desktop Metal和HP均发布了产品力作，GE Additive也举行了新设备的揭幕活动。国外基于传统激光3D打印技术的开发商实际推出的新设备则不多。本文将按照先国内后国外的顺序，汇总这些新设备的看点。 1. 铂力特——多款重磅设备和解决方案 为应对多领域为未来制造的需求，铂力特于2022年发布了多款重磅设备和解决方案。 BLT-S1000面向空天领域大尺寸零件高效高质成形，是铂力特首次发布的12激光设备，成形尺寸1200×600×1500mm（不含基板）。同一零件，在选配12激光时的成形效率可达300cm³/h。设备多激光光斑尺寸、能量密度一致，各区域力学性能、粗糙度一致性、全幅面一致性高，能够满足更大零件的制造需求和批量生产需求。 为配合工业零件批产，铂力特于本年度发布了BLT-A320M、BLT-A400、BLT-A450几个型号设备以及BLT-A160D小型零件批量生产平台方案。BLT-A320M采用140μm高效率工艺，10小时内完成38个高效率工艺热咀套打印；BLT-A400可应用于能源动力、工业模具、汽车制造、医疗行业等众多的领域，兼顾工业制造的批量化生产与高效流转，支持光学配置升级，在标准配置双光的基础上可以升级三光，在不增加场地的条件下，可有效增加产能。BLT-A450可配置“辅机全家桶”和铂力特软件生态链方案，是该公司开发的面向未来自动智能和工业批量生产的机型；BLT-A160D为小型零件提供批量生产平台及方案，配置双激光，为小批量零件提供增质降本的零件生产服务。 2. 铖联科技——齿科专用NCL-M150 2022年华南国际口腔展期间，铖联科技推出齿科专用双激光金属3D打印机NCL-M150。 NCL-M150是专为金属义齿加工研发的3D打印设备，满足钴铬合金、钛合金、纯钛等多种齿科材料的金属打印。运用多种技术方法解决了金属义齿产品变形、沙眼、气泡等产品缺陷，使义齿产品的精度更高、光洁度更好、致密度更高，显著提升了义齿产品的品质；注重品质同时兼顾效率，NCL-M150通过动态校准技术，实现了多光束无缝拼接，打印速度大幅提升。同时，通过操作手套、备份传感器等装置，隔绝金属粉末、惰性集体等不安全要素与操作人员的直接接触，设备安全等级达到国际先进水平。 3. 共享智能——粘结剂喷射金属3D打印设备 粘结剂喷射金属3D打印技术的发展备受关注，国内除了易制科技、峰华卓立和三帝科技正在开发该技术外，2022年共享智能发布了三款基于该技术的设备——AJM 160、AJM 500以及AJM 800，该公司表示可打印铁基材料、高温合金、难熔合金等多种粉末材料。 AJM 160成型尺寸160×65×65mm，是面向高校、科研院所研发的小机型设备，用于试验研究、培训、展示等。AJM 500、800面向MIM、模具等行业，可实现规模化生产，成型尺寸分别为500×360×300mm、800×500×400mm，能实现1200dpi分辨率的打印，同时喷头自带补偿功能，可以实现打印头墨滴检测技术以及打印头喷孔补偿技术。 4. 汉邦科技——HBD E500 汉邦科技于2022年初推出新型HBD E500金属增材制造装备，HBD E500具有优势的大幅面成型尺寸，可达430mm×520mm×520mm。多激光高效配置，可选双光路或三光路，出色稳定的风场性能及智能化铺粉监控系统，实现对高效高品质及高品质一致性的极致追求，结合独特、便捷实用的粉末闭环管理系统，适用于连续性批量化生产的应用场景。 依托强大的先进装备设计与制造能力，汉邦科技目前已成功研发大中小多款强力迭代机型，产品矩阵完整。其中HBD E500、HBD 1000及HBD 1200等多光路大尺寸设备，已与多家航空航天、能源和知名高端工业企业达成稳定合作并批量供货。 5. 华曙高科——多款面向批量制造的大尺寸增材制造系统 华曙高科于今年集中推出了多款面向产业化用户的大型多激光金属高效增材制造系统：FS621M Pro系列、FS621M-U系列以及FS811M系列。 以FS811M系列为例，它是为了满足航空航天多元应用批量生产的高效增材制造系统，其成型缸尺寸达840×840×960mm（含成型基板厚度），体积大于670升，配置了升降平台，方便腔体内部配件维护。具有稳定的光学系统，配置独立的振镜冷却系统提升稳定性，可选配6×500W、8×500W、10×500W激光器，光束质量高，全幅面光斑尺寸差异小，多激光搭接校准精度控制在±0.05mm以内，搭接区力学性能与单激光无明显差别。FS811M能在惰性气体保护环境下，实现送粉、清粉、筛粉全程闭环的处理，可根据生产需求智能添加粉末材料，真正实现“人粉隔离”，为用户创造了清洁环保的生产环境。全程在线智能监控、反馈，生产结束可自动生成报告，打印过程可以详细溯源。永久滤芯可延长打印时间，降低成本。 6. 镭明激光——LiM-X650H与LiM-X800 镭明激光于2022年发布了LiM-X650H与LiM-X800两款大尺寸金属3D打印机。这两款设备均可应用于航空航天、汽车制造等领域。 LiM-X650H成形尺寸为650×650×1680mm，在打印纵深方面，已经达到国际领先水平，为可商业化销售的金属增材制造装备中的最高水平之一。该设备采用了镭明激光自主研发的专利龙门双驱结构，在实现打印高度的同时，大大降低了设备整体高度。LiM-X800成形尺寸为800x800x1080mm，该设备标配六激光，预留四套光学系统接口，可根据需求快速升级为十激光，成形效率可达250cm³/h；多激光分区成形，专利风场技术，有效保证成形质量。两款设备均搭载了完整闭环的粉末自动输送系统，零件打印全程无需人工干预，配备零件粉末清理回收模块，高效、实用、安全。 7. 清研智束——G系列Qbeam G350 2022年珠海航展期间，清研智束(QBEAM)发布首台EBSM® 双枪同幅电子束金属增材制造设备Qbeam G350。 Qbeam G350采用清研智束自主研发的双枪同幅技术，可同步进行预热、填充和轮廓扫描，成形效率提高一倍以上，成形尺寸为350×350×700mm，在更大打印幅面的基础上实现粉床温度在1250℃精确可控，实现真正意义上的低应力打印。适用于形状复杂、裂纹敏感性材料零部件的加工制造，如大尺寸薄壁零部件及金属间化合物、难焊高温合金、难熔金属、高熵合金等材料。解决了航天航空对大尺寸高新金属材料零部件的打印难题，开辟了新的金属3D打印技术路线。 8. 升华三维——可打印金属和陶瓷的挤出式3D打印机 升华三维于2022年更新了其已经发布的工业型独立双喷嘴3D打印机UPS-250DC和大尺寸独立双喷嘴3D打印机UPS-556DE，成形尺寸分别为250×250×250mm和500×500×600mm，均是2022年推出最新一代打印设备，采用独立双喷嘴设计，可以同时打印或者各自轮流打印金属和陶瓷材料，实现不同种类材料的复合产品开发及复杂结构的成形。UPS-250DC和UPS-556DE均定位为工业型、高精度、高质量、高性价比的金属/陶瓷3D打印机，具有结构紧凑，操作简单、使用便捷等优点。 基于升华三维自主知识产权的粉末挤出打印技术（PEP技术），最新一代打印设备可配套3D打印专用脱脂炉和烧结炉，构建一套完整的金属/陶瓷间接3D打印技术解决方案。适配不锈钢、铜及铜合金、钨及钨合金、钛及钛合金、高温合金、硬质合金和难熔金属等金属材料，及氧化锆、氧化铝、氮化硅、碳化硅等陶瓷材料，以满足市场不同需求。适用于科研教育、工业制造、航天航空、军事国防、生物医疗、汽车、模具制造、新能源等领域的3D打印技术研发、材料开发和金属/陶瓷产品快速开发制造。 9. 易加三维——九激光、超米级M1250 易加三维于2022年6月推出了公司新一代SLM金属3D打印机——九激光、超米级的M1250，其净成形尺寸可达1250x1250x1250mm，Z向尺寸可定制至2000mm，适用于超大尺寸、高精度、复杂金属结构件的直接制造。 M1250配置九激光、九振镜，采用多激光精准定位+拼接区精度控制技术，保证了高效生产和打印品质的均一稳定。除了突破大成形尺寸核心技术外，易加三维同时攻克了设备安全控制，打印零部件质量、精度稳定可靠，工艺设计结构优化，生产效率大幅提升等一系列关键技术，是可作为长期生产力工具的增材制造设备。 10. 英尼格玛——超大智能电弧增材制造系统 ArcMan P1800智能电弧增材制造系统是英尼格玛2022年新推出的一款高端智能生产型装备，其拥有Φ1200mm*H1800mm超大增材范围，打印效率可达到1300cm³/h，极其适合舱段等“筒体”类构件的增材制造。 设备采用最新机器人电弧增材控制软件IUNGOPNT4.0，融合动态路径规划、熔池及温度场监控、智能起弧控制、在线过程数据采集与分析等功能于一体，采用三屏人机交互，增材过程中可实现一目了然。除此之外，其配备专业的大盘丝送丝系统和Easy Wire Line低阻力送丝管，可实现超大尺寸盘丝的加热、除湿、称重以及稳定的输送，实时显示焊丝的余量，实时显示并调控环境温湿度；其配合生产任务下发及增材工艺库功能，真正解放了设备操作人员的双手，实现过程闭环控制及过程数据采集功能，让批量生产成为可能。 11. 永年激光——YLM-1000B 永年激光已推出YLM-1000和YLM-1000B两款米级激光粉末床熔融金属3D打印机。其中，YLM-1000B是2022年新推设备，成形尺寸为1000×1000×1000mm，8激光器8振镜，首次采用机内垂直移动成形缸系统，可原位取件，大大简化了机器结构；采用多面可开启手套箱，有利于原位叉出成型件，大大方便成形板安装和调试，方便大型成形件清粉操作；基于驱动箱的重载斜齿轮-齿条寸动系统，保证10吨承载量，寸动的高精度和高稳定性。 同时，江苏永年正在研发成形尺寸更大的激光粉末床熔融金属设备，以满足航空航天领域对超大型金属复杂结构件的需求。 12. DesktopMetal——交付第一台生产级系统 2022年一季度，DesktopMetal终于将第一台生产级系统（Production系列）交付给客户——史丹利百得公司。这台被称为P-50的粘结剂喷射3D打印机备受期待，是近1亿美元投资和由Desktop Metal工程师和材料科学家为之奋斗了四年的产物。 P50系统具有490 x 380 x…

在往期文章中，3D打印技术参考分别对NASA工程师所总结的航空航天领域金属3D打印零件的生命周期、材料种类和特点以及各类工艺的制造特点进行了讲述，本期内容主要分析材料的可获得性、高性能金属组件、制造成本组成对航空航天3D打印生命周期的重要影响。 3D打印材料的可获得性与工艺复合制造 对粉末材料的要求取决于增材制造工艺，并且必须根据化学成分和粒度分布进行控制，确保流动性。根据增材制造工艺所需的粒度分布，大多数材料的供货周期都会很短。即使使用新材料和定制合金，粉末供应链也在不断发展，大多数定制合金粉末可以在几个月或更短的时间内获得，这取决于所需合金元素的可用性。许多棒材、板材和线材原料通常也可在几天内获得。然而，定制合金可能需要额外的加工（如主熔体、锻造、减小板材厚度，或者如果特定尺寸不可用，则需要重新拉丝），从而延长交货时间。因此，设计师必须考虑金属增材制造工艺及其原材料供应链。 不同制造工艺所使用的材料粒度分布、直径或厚度 一些增材制造工艺允许在同一构建操作中使用不同种类的粉末、线材、片材或棒材来制造双金属或多金属部件，具有多种合金的构造可以很容易地针对质量、热、结构或其他设计特征进行优化。多材料3D打印通过消除或减少连接或打印后的组装操作使航空部件受益。复杂的设计可以在单个组件中使用多种材料，而无需进行焊接等后处理。但是，设计要求可能会限制某些增材制造工艺或使用多种合金的可用性。这些要求还必须考虑材料兼容性，因为许多增材制造工艺涉及熔化并可能出现不希望的相组织。3D打印技术参考注意到，国内对多材料3D打印最典型的应用是王向明院士实现的A100钢和300M融合3D打印制造梯度材料起落架。 NASA采用不同3D打印工艺复合制造的多金属组件 然而并不是所有金属3D打印都可以实现多材料复合制造，其主要受限于材料的供给形式。当前，能量沉积和固态增材制造工艺可以实现多材料一体化制造，EB-PBF工艺还不允许使用多种材料，L-PBF工艺正在进行相关努力。L-PBF多合金3D打印的挑战在于不同粉末批次的污染、原料批次跟踪困难，以及相关的参数开发和质量控制。当前应用较多的多金属3D打印通常使用多种工艺实现。在初始零件3D打印和机加工完成之后，通过其他增材工艺添加另一种金属材料，实现多材料制造。较为典型的案例是NASA采用L-PBF和DED工艺制造的铜合金复合高温合金的双金属燃烧室，国内7103厂也有类似的应用案例。L-PBF工艺保证了内容结构具有高度复杂的内容特征，实现更高的换热效率，DED沉积的高温合金则兼具更高的强度。然而，不同金属之间的冶金结合质量需要深入研究。 航空航天3D打印制造过程的成本考量 虽然3D打印为设计人员实现高度复杂组件的制造提供了可能，并且通常认为“零件制造成本并不会因复杂程度的升高和提升”，但这种复杂性也需要付出很多代价。因为零件越复杂，打印失败的风险越高，所需要的后处理操作也更多。 零件的制造成本并不由单一因素决定，而是相互交织的，例如零件的材料的种类和使用量、打印时间、复杂程度、后处理以及最终的鉴定等等。在同时满足设计意图、设计余量和补偿变形/收缩时最小化零件质量，是通过设计优化来降低多重成本的一种方式，但设计师仍然难以对每种工艺进行详细的直接成本对比。 粉末、线材、棒材或片材形式的材料通常可用于大多数工艺，但成本取决于具体的合金种类。常见的合金，如300系列的不锈钢、In625是现成的，但定制合金或定制尺寸可能会增加2-5倍的成本，因为它们可能需要特殊的熔化、雾化或成型操作。基于购买数量（如预期）和生产工艺的单种材料之间的成本存在轻微差异。对稀缺合金或定制合金的开发，供应链更加难以保证。在选择合适的工艺或材料时，必须考虑生命周期的这一部分。 316L 和 Inconel 625 原料成本比较 航空航天增材制造组件在整个生产过程中都需要有严格的文档记录和可追溯性，因此涉及内容可能会非常广泛。3D打印过程的模型评估、设计修改、支撑结构、扫描策略等参数均需要记录，这些被认为是非经常性工程成本。打印机的操作成本还可能包括构建板加工以及设备的清理和换粉操作。零件上的实际构建时间通常基于从零件开始打印到完成的，因此在计算费用时应当考虑此前的各种准备工作。基于熔化的3D打印工艺之间存在显着差异，如L-PBF和EB-PBF在构建之后，后处理操作将根据过程而有所不同。对于大多数工艺，后处理操作包括清粉、去支撑和分离构建基板。此外还有许多其他操作，如材料表征和机械测试，验证零件的性能。一些参考资料和企业指出，70%的零件成本可以来自预处理和后处理操作。 虽然3D打印的成本与零件制造数量以及经验积累存在一些关系，但单位成本不会随着构建数量的增加而显著变化。非经常性工程成本可以在生产零件中摊销，但零件的构建时间从第一个到第一百个通常相似。虽然一些研究表明3D打印大批量生产没有竞争力，但它高度依赖于零件尺寸、材料和复杂性。在许多情况下，增材制造可能是制造某些零件的唯一方法（如GE燃料喷嘴）并允许大批量生产。对于3D打印技术而言，主要工艺成本基于构建（或沉积）的材料的总体积，而不是机械加工。随着整体零件体积的增加，成本也会增加，但这在很大程度上取决于沉积速率。随着沉积速率的增加，成本可以降低。这就是许多高沉积速率工艺（如DED、冷喷涂和搅拌摩擦焊）具有优势的地方。沉积速率可能会对特征分辨率和复杂性产生不利影响，关键的配合表面、孔、法兰或关键特征，必须进行后处理加工。额外的后处理步骤会增加成本。这是对设计人员来说，一件重要事情是要评估整个增材制造工艺的生命周期，包括增材制造工艺和后处理，确定最佳制造路径。3D打印流程之间的成本包括打印复杂性和所需的后处理复杂性。基于材料、工艺细节和零件几何形状等因素，成本的构成不一定是线性的。 基于零件体积和沉积速率的一般增材制造工艺成本趋势 双金属燃烧室的成本比较 NASA工程师分析了液体火箭发动机燃烧室的制造成本。由于减少了传统制造所需的工时、材料和多道工序，成本得到了充分体现。传统的制造工艺需要通过锻造生产铜合金坯料，然后对衬板进行多次机加工，开槽以形成流道，最后通过电镀或钎焊等组装操作来封闭通道。3D打印不仅降低了成本还提高了效率，首先采用L-PBF工艺3D打印了GRCop-84铜合金腔室，然后使用Inconel 625对结构护套进行了电子束丝材熔覆。由于3D打印工艺的工艺链更为充足，GRCop-42内衬能够在更大的PBF平台中一体打印，然后使用商业供应商的沉积设备进行后续制造。 END NASA工程师指出，针对航空航天领域3D打印零部件制造，在进行零件设计之初，就应当考虑材料和工艺选择，这涉及到材料的供应链是否容易获得、制造周期、打印成本和后处理成本等，仍然是一项复杂的工程。任何一种工艺都有其独特的制造特点，不能将它们孤立取来，在最合适的地方使用最合适的工艺，且能够相互结合。至于航空航天领域金属3D打印能否实现批量生产并降低成本，则需要看具体的应用。 本文是NASA航空航天应用经验总结系列文章总结的终篇。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.先临三维助力西门子智能制造成都创新中心增材实验室建设 2.装机逾500台、21个国家！汉邦科技在上海临港建设金属3D打印新厂房 3.NASA工程师总结：航空航天金属增材制造部件的生命周期 4.NASA金属增材制造在火箭推进领域的应用进展——工艺和材料

近期，南方科技大学机械与能源工程系讲席教授朱强研究团队针对高机能金属材料的激光增材制造过程中热裂难题进行了系统研究并取得一系列研究进展，相继在Additive Manufacturing, Composite Part B: Engineering, Nano Materials Science等国际期刊上发表5篇论文。 作为一种先进的成形工艺，增材制造（又称3D打印）技术由于其在加工具有独特、复杂几何形貌产品方面的独特优势，已经广泛应用在航空航天、武器装备、汽车工业和电子等高端领域。而目前大部分金属材料由于打印过程中复杂的熔化和凝固动力学通常会导致有害的微观组织，如周期性裂纹与粗大柱状晶等，都无法直接用于激光增材制造。因此，开发出打印性良好、无裂纹且力学性能优异的金属材料是进一步推动增材制造应用的关键。2xxx系高强铝合金是汽车工业与航天航空领域应用最广泛的铝合金之一，但其凝固区间广，热裂倾向严重，因此成形难度较大。如何以低成本的方法在2xxx系铝合金粉末床激光熔融技术中实现裂纹的消除与性能的提高，对开发复杂轻量化产品具有重要的科学意义和应用价值。研究团队提出了一种添加低成本纳米氧化钛颗粒改性原始粉末的方法，以提高2219铝合金在增材制造过程中的成形性。在本设计中，通过氧化钛的铝热还原反应将在铝合金中具有高形状限制因子的钛原子弥散分布在铝基体中，从而显著地细化了晶粒并消除了裂纹。结果表明，改性后的2219铝合金的致密度高达99.97%，并呈现出晶粒尺寸双峰分布的微观组织。在力学性能上，添加纳米氧化钛颗粒后的2219铝合金在25~315℃范围内与2219锻造铝合金的拉伸强度相当，并明显高于通过其他增材制造方式成形的2219铝合金。该研究成果以“Laser powder bed fusion of nano-titania modified 2219 aluminium alloy with superior mechanical properties at both room and elevated temperatures: The significant impact of solute”为题发表在Additive Manufacturing上。图1增材制造2219铝合金致密度、微观组织与性能的优化7xxx系高强铝合金是铝合金中强度最高的一个系列，是国际上公认的航空主干材料，但也存在着热裂纹难以消除的难题，被认为是典型的不可焊接材料。研究团队提出了一种高效、便捷、可控性好的复合细化策略，实现了晶粒细小均匀、无明显裂纹、致密度高、力学性能优异的7050高强铝合金成形。在本设计中，不仅可以充分发挥纳米陶瓷TiN和合金元素Ti各自改善合金成形性、细化α(Al)的作用来细化晶粒、解决热裂问题，还能利用二者之间的协同效应进一步细化、强化合金，以显著地提高合金力学性能。采用复合细化剂的7050铝合金能获得平均尺寸为纳米级的超细晶粒，直接时效热处理后其极限抗拉强度可达408～618MPa，断后延伸率（EI）可达13.2～8.8%，高于绝大部分增材制造铝合金。该复合细化的理念为高强铝合金激光3D打印中的工业化应用提供理论指导和技术借鉴，并有望推广到其他可能的合金或加工领域，以实现更广泛的应用。该研究成果以“Novel approach to additively manufacture high-strength Al alloys by laser powder bed fusion through addition of hybrid grain refiners”为题发表在Additive Manufacturing上。 图2复合细化策略对增材制造7050高强铝合金晶粒细化作用与性能的优化 高温合金是指能在600°C以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料，已广泛应用在以航空发动机为代表的高端领域，被誉为“现代工业皇冠上的明珠”。与高强铝合金类似，高性能高温合金通常也面临着热裂敏感性高、成形难度大等困难。镍基高温合金Inconel738LC（IN738LC）是一种γʹ沉淀强化合金，在800°C以上的温度仍有较为优异的力学性能、抗氧化性能以及热稳定性。由于其复杂的化学元素组成以及激光增材制造本身的复杂冶金过程，被认为是一种难焊接高温合金。研究团队首创了一种“纳米粗化剂”，在与商业IN738LC颗粒混合后进行选取激光熔化成形。使得打印材料裂纹被消除的同时，晶粒没有产生细化作用（与铝合金相反，对于高温下使用的合金，细化的组织往往不利）。其原理在于加入纳米级的氧化钇颗粒，在打印过程中原位与合金中的Al元素发生反应，生成细小的纳米级YAM（Y4Al2O9），该粒子的Y点位可与合金中的Zr原子发生替换，消除了Zr元素在晶界处的偏析，从而达到了消除裂纹的目的；另外，YAM粒子是一种优异的隔热粒子，可以有效的降低熔体的凝固速率，使得晶粒发生的粗化的作用。加入纳米级的氧化钇颗粒的IN738LC复合材料在850°C的屈服强度由615 ± 8 MPa提升到了633 ± 9 MPa，抗拉强度由714 ± 11 MPa提升到了773 ± 5 MPa。该研究成果以“Y2O3 nanoparticles decorated IN738LC superalloy manufactured by laser powder…