点击上方「增材制造技术前沿」快速关注专注于3D打印技术硬知识分享 俄罗斯Skoltech（斯科尔科沃科学技术研究院）的科学家近期公布了一种使用3D打印技术制造的青铜钢合金，这种新型合金融合了青铜和钢的独特特性——受益于钢的耐极端温度能力和青铜的导热能力，新材料可用于制造飞机和火箭发动机的燃烧室。 该研究以“Mechanical characteristics of laser-deposited sandwich structures and quasi-homogeneous alloys of Fe-Cu system”为题发表在《材料与设计》杂志上。 研究人员首次使用直接激光沉积工艺制造了青铜钢合金。Skoltech团队以两种不同的方式将青铜和钢结合起来——获得所谓的准均质合金和夹层结构。 研究人员制造的准均质青铜钢合金制成的垂直杆 准均质合金意味着两种材料均匀混合在整个样品中，而夹层结构则由一系列交替的0.25毫米厚的青铜和钢层组成。激光能量沉积装置采用同时进料青铜和钢粉或者交替沉积的形式制造两种材料或结构。钢粉采用的是316L不锈钢，青铜粉则分为铝青铜、锡青铜以及铬青铜。研究人员分别对由不同铜合金组成的铜钢均质合金（50：50、75：25两种成分）以及夹层结构进行了研究，共进行了8组实验。 研究证实，这两种材料熔合良好，没有形成缺陷。该团队3D打印了测试样条，检查了它们的形状、化学成分和微观结构。研究人员表示，“当出现问题时，样品的形状可能会明显变形，或者在3D打印过程中可能会开裂。这意味着要么使用的材料不合适，要么条件设置不当。”在此阶段没有发现任何问题后，研究人员开始从样品的不同部位切出样块，并使用光学和扫描电子显微镜研究内部组织结构。 青铜钢合金中青铜和钢的交替区域 对复合材料进行广泛的机械测试，获得了主要的机械特性。其中，由铝青铜和钢以1:1混合的材料得到了最高的力学性能，其中抗拉强度达到838.6Mpa，屈服强度665Mpa，应变断裂比为0.035，这些材料性能是首次被报道。 用于机械测试的准均质样品 该研究成功证实了钢和青铜可以通过3D打印制造出新的合金，从而能够探索可能的应用。未来，研究人员将测试青铜钢燃烧室，钢材可以抵抗运转中发动机燃料燃烧产生的高温，但与青铜相比，钢的导热率不足，因此发动机冷却液无法有效从中吸走热量防止过热和损坏。借助3D打印，可以通过制造由梯度材料构成的燃烧室，确保热量快速导出，同时保障结构强度。除此之外，研究人员还将测试其他金属组合，如制造由超级合金制成的涡轮叶片等。 3D打印再一次证明在开发新材料方面具有重要的优势，由其制成的复合材料将具备两种或多种金属的优势，因此也得到各国科学家的广泛关注。 注：欢迎加入硕博千人交流QQ群（248112776）欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.3D Systems专家总结2022年塑料和金属3D打印取得的创新 2.3D打印服务商驰辉，帮助汽车客户缩减超30%的加工成本和时间 3.设计指南：基于激光烧结3D打印技术的应用和设计技巧 4.长36米、宽5米 ▏世界最大复合材料增减材一体3D打印机诞生

近日，3D打印技术参考注意到，2023年Science正刊首篇关于3D打印技术的研究已经于1月5日发表。弗吉尼亚大学材料科学与工程专业孙涛副教授领导的研究团队取得了新发现，极大提高了金属3D打印技术的质量保证能力，对扩大航空航天和其他领域该技术的应用带来新的契机。 https://www.science.org/doi/10.1126/science.add4667 该研究以“Machine learning–aided real-time detection of keyhole pore generation in laser powder bed fusion”为题发表，研究人员通过同步高速加速器X射线成像和热成像，结合多物理场仿真，在Ti6Al4V激光粉末床熔融过程中发现了两种类型的锁孔振荡；通过机器学习进一步加深了这种理解，并开发出一种以亚毫秒级时间分辨率和近乎完美的预测率检测随机锁孔孔隙率生成的方法。总的来说，这是一种简单实用的方法，能够在商业3D打印系统中使用。 金属3D打印工艺中锁孔孔隙的形成 在粉末床激光熔融金属3D打印技术中，孔隙一直都是重要的缺陷类型。在激光能量输入过多（高功率和慢扫描速度）时，金属汽化施加反冲压力，将熔池表面向下推，形成一个狭窄而深的钥匙孔，其中发生多次激光反射和吸收。虽然这增加了金属的整体激光吸收，但锁孔壁上的不均匀激光吸收会产生局部热点，导致反冲压力、蒸汽动态压力、毛细管力和马兰戈尼力之间的不平衡。 在该研究中，科学家利用同步高速加速器X射线和热成像，在不稳定的锁孔条件下发现了Ti6Al4V的两种锁孔振荡模式——固有振荡和扰动振荡，而高频扰动振荡是产生锁孔孔隙的原因。一旦钥匙孔坍塌，钥匙孔的下部与上部分离，表现为一个气泡从钥匙孔尖端溢出。然后，气泡被新的钥匙孔向下和向后推。当气泡离开钥匙孔时，其运动主要由熔池中的流体流动控制。很少有孔隙可以通过流向熔池表面或循环回锁孔而逸出，大多数孔隙被推进的凝固前沿捕获并成为孔隙缺陷。 稳定锁孔内的固有振荡 稳定锁孔模式下的本征振荡 Ti6Al4V随机孔隙的生成过程 简单的说，小孔的形成和大小是激光功率、扫描速度以及材料吸收激光能量的能力的函数。如果小孔壁稳定，则可以增强周围材料的激光吸收并提高激光制造效率。然而，如果壁薄弱或坍塌——材料会在锁孔周围凝固，将气穴困在新形成的材料层内。这使得材料更脆，更容易在环境压力下开裂。 因此，通过优化工艺参数可以减少孔隙的产生，但LPBF工艺涉及的多种因素仍难以抵消激光熔化模式下出现锁孔的条件，如激光光斑尺寸、功率和扫描速度的漂移，以及不合理的扫描策略可能导致局部过热。因此，即使针对打印材料优化了设备参数，零件中仍可能存在锁孔孔隙。扰动锁孔振荡是解答这一问题的关键：在不稳定的锁孔模式下通过调整功率和扫描速度，有些气泡可以逃出锁孔并变成孔隙，而有些气泡会被锁孔重新捕获并消失。 新手段将预测成功率提升至100% 实时检测是金属3D打印质量保证体系的重要组成部分，有利于构建闭环控制系统，甚至还可以实施调整工艺消除缺陷。当前所开发的光学和声学传感系统在质量控制方面发挥了一定作用，但检测局部和瞬时生成锁孔仍然具有挑战性。这是因为除了参数漂移的明显原因之外，锁孔形成的随机性质还有其他物理原因。在不稳定锁孔条件下的激光扫描过程中，气泡形成的确切位置并不固定而是随机产生，哪些气泡最终会变成孔隙，哪些会被锁孔重新捕获并消失，这些问题都不确定。 LPBF工艺中的实时锁孔孔隙率检测 Ti-6Al-4V打印过程中的固有和扰动锁孔振荡 研究人员开发了一种通过集成实验数据、多物理场仿真和机器学习来检测锁孔生成的方法。使用钥匙孔区域发出的热信号来预测孔隙生成，LPBF过程的X射线图像为校准和验证理论模型以及训练机器学习算法提供了丰富的真实数据。孙涛副教授指出，“通过整合原位同步加速器 X 射线成像、近红外成像和机器学习，我们的方法能够以亚毫秒时间分辨率和100%的预测率捕获与锁孔生成相关的独特热特征。” 在商用系统中验证研究成果 通过校准的仿真、优化的热成像方案和机器学习算法，研究人员展示了两种实用的方法，无需额外的同步加速器实验即可有效应用。他们使用商用LPBF系统（SLM Solutions 125）进行了概念验证实验，腔室的大小和视窗位置限制了热成像的设置。尽管无法应用最佳成像条件，但在调整参数后预测精度、精密度等均有所提高；第二种方法是使用经过良好校准的模拟来训练机器学习模型，当对实验数据进行测试时，粉床和样品的预测精度分别为85%和87%。 论文第一作者与孙涛副教授 使用这种方法预测粉末床样品中的孔隙生成明显更加困难。这与使用实验数据进行训练的情况不同，在训练中，粉末床样本的预测率通常更高。这种差异凸显了开发更复杂的LPBF模型的必要性，其中应考虑控制粉末运动和蒸汽羽流动力学的物理特性。 END 孔隙作为金属增材制造过程工艺的重要缺陷类型，在零件使用过程中会带来很多危害。工艺的调整旨在消除缺陷，但工业后检测手段往往昂贵且效率低，破坏性检测更不现实。实时监测作为质量控制的重要组成部分，需要提高检测的精度和可靠性。 该研究中对锁孔生成的机理进行了阐述，并提出了一种商业可行的手段，虽然研究与验证结果有出入，但已经是很大的提高，并显示出极大的应用潜力。 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.清华大学于《科学》发表论文揭示金属3D打印中匙孔气泡缺陷的起源 2.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 3.【顶刊综述】金属增材制造过程中的缺陷种类及产生原因 4.【顶刊综述】金属增材制造过程中多尺度缺陷对性能的影响及控制方法

当前主流的树脂3D打印工艺，如DLP、SLA等，通常只能成形单一材料。作为智能制造的一种手段，3D打印如能在一次成形过程中制造出多材料部件，无疑能够赋予其不同的属性和功能。3D打印技术参考注意到，2022年12月24日，南方科技大学葛锜副教授课题组在自然通讯杂志公布了一种采用离心式DLP实现多树脂材料3D打印的研究，本文接下来将介绍该工艺。 采用DLP 3D打印多材料无疑需要多个树脂槽，但打印基台从一种树脂更换至另一种树脂时，零件底部会残留上一种树脂。南科大所开发的离心式DLP，是在零件切换材料时，使用高速旋转实现上一种材料的无残留。借助这种方式，研究人员可以制造180×130mm的大体积异质3D结构，并能够对零件组成、属性和功能进行体素尺度的编程。该工艺可以打印水凝胶、弹性体、刚性聚合物甚至陶瓷，其在数字材料、软机器人和陶瓷设备制造领域具有卓越能力。 研究人员借助所开发的3D打印机及其程序，成功制造了大体积八位组桁架结构（155×108×57mm），其中白色和黑色单元在空间中交替排列。所开发的离心式3D打印系统能够在多材料切换过程中实现近乎零的材料污染，从而可以清晰打印白色和黑色单元。 它可以打印两种以上的材料，研究人员提出了一种由四种颜色组成的八位组桁架结构，其中白色、黑色、浅绿色和透明单元层从底部堆叠，四种颜色的单元交替放置在顶层。放大的图像证实了不同材料之间的过渡是清晰的，并且没有发现明显的材料污染。更重要的是，离心式3D打印系统适用于打印具有不同特性和功能的各种材料。 其展示了3D打印的血管系统，红色血管嵌入透明水凝胶基质中，随着时间的推移，血管中的红色“血液”逐渐扩散到基质中。 3D打印的开尔文泡沫结构，其中一个软聚合物层被两个硬聚合物层夹在中间。 3D打印的Miura折纸板，硬聚合物面板通过形状记忆聚合物铰链连接，允许将平面 Miura 折纸板编程为3D形状。 基于该系统，允许打印陶瓷和聚合物组成的异质3D结构。研究人员通过将陶瓷颗粒混合到丙烯酸酯树脂中来制备陶瓷树脂，丙烯酸酯树脂在3D打印过程中转化为固体陶瓷生坯，可以与丙烯酸酯弹性体部件形成牢固的界面结合。利用陶瓷生坯和弹性体之间的强界面结合，研究人员打印具有悬垂部分的复杂陶瓷结构。研究人员还制造了一个叶轮，使用打印的陶瓷轴承连接金属轴和叶轮。由于陶瓷轴承的低摩擦力，叶轮可以高速旋转。高耐热性使陶瓷轴承能够在650 °C下工作，其低导热性可防止轴过热。 就原理而言，研究人员采用下曝光DLP 3D打印系统，在打印平台和UV投影仪之间，有一个玻璃板，支撑两个或多个聚合物树脂容器并水平移动来输送相应切片所需的树脂。为去除多材料切换期间粘附在打印部件上的残留树脂，研究团队添加了一个旋转电机来旋转打印平台，同时配备了残余树脂接收平台。以打印两种材料的八位组桁架为例，零件从黑色树脂中抬起后，可以清楚的看到黑色残留树脂粘附在打印部分上。此时零件被抬起，残余树脂接收平台运动至打印平台处，旋转电机带动打印平台旋转，去除残留树脂，之后继续打印完成白色部分。 总的来说，南科大的研究人员展示了一种基于DLP的多材料3D打印方法，它不仅可以将多种树脂材料集成为功能部件，还能够制造功能性陶瓷部件，具有卓越的应用潜力。 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.为特殊金属和特种陶瓷开辟一种可行的3D打印解决方案 2.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 3.「理光」欲将粘结剂喷射金属3D打印用于铝合金散热器制造 4.盘点：2022年值得关注的3D打印新材料、新工艺和新应用突破

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

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

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…

导读：3D打印技术参考注意到，滑铁卢大学机械与机电工程系多尺度增材制造实验室近日发表了一项研究，通过在打印过程中对熔池进行二次部分重熔，获得了均匀且不间断的柱状晶粒，与定向凝固材料相当，具有良好的抗蠕变和抗疲劳性。这项研究是首次在LPBF 3D打印过程中使用原位激光处理来控制合金晶粒结构的科学尝试。 参考样品和经原位热处理样品的EBSD图激光粉末床熔融(LPBF)是最流行的金属增材制造技术，能够制造具有定制机械性能的金属部件。这些特性在很大程度上取决于LPBF过程中的微观结构演变。材料的显微结构是影响和决定材料性能的重要因素，通过改变材料的微结构，可以获得增强的各向异性机械和物理行为，如更高的强度、更低的杨氏模量、更高的抗蠕变性和抗疲劳性以及更高的导电性。 对于激光粉末床熔融金属3D打印技术，修改打印参数（如激光功率、扫描速度、扫描策略和层间旋转等）可以产生不同的热历史和凝固条件。因此，实现所需的微观结构需要将工艺参数与凝固参数相关联，如温度梯度、凝固速率、热流方向和熔池几何形状等。 以往的研究发现：AlSi12在较高激光功率和较低扫描速度下可获得较粗的晶粒和较高体积分数的<001>取向晶粒；β型钛合金采用XY扫描而无旋转策略时可获得各向异性的微观结构，沿构建方向的样本杨氏模量较低；也有研究人员提出，扫描策略的变化导致的不同凝固模式会显著影响晶粒尺寸、晶粒纵横比、泰勒因子和晶粒取向，进而影响LPBF制造的HastelloyX试样的机械性能。除了上述参数外，光束整形也被认为是一种修改打印部件微观结构的新方法，研究发现椭圆光束可获得更细的等轴晶粒、更高的泰勒因子和机械性能。 (a) 设计的样品(b)3D打印的原位热处理样品(c)3种可能顶面 在这项研究中，研究人员采用一种新方法来控制Ti5553合金在LPBF过程中微观结构的形成，该合金是一种在航空工业中具有广泛应用的材料。实际过程很简单，就是在初始激光扫描之后立即进行能量输入低的多的二次激光扫描，在凝固层上提供较薄的重熔层。该薄层具有更均匀的凝固模式，导致沿构建方向形成了细长晶粒。 这是一种原位热处理方法，激光后曝光扫描起着关键作用。由于凝固层的重熔可以降低凝固的成核障碍，因此假设初始（主）熔池顶部的第二浅熔池可能会影响晶粒形成。经激光后曝光处理的3D打印态零件与定向凝固工艺获得的材料相当，具有良好的抗蠕变和抗疲劳性。值得一提的是，目前的研究是首次在LPBF过程中使用原位激光处理来控制合金中晶粒结构的科学尝试。 (a)原位热处理样品的显微图像，大的初始熔池和浅的二次熔池(b)二次熔池中的晶粒生长方向几乎是垂直的(c)大初始熔池顶部的晶粒生长方向几乎是水平的 (a)参考样本和(b)曝光后处理样本的EBSD图和OM图像：参考样品的近表面等轴细晶粒在曝光后处理后消失 研究人员认为，二次扫描的熔池在凝固过程中发挥了突出作用，其减少了凝固层的现有晶粒数量，这将减少下一层的成核位点的数量。与常规（无二次重熔）条件相比，二次重熔通过抑制新晶粒成核，使最终微观结构中存在新晶粒的概率要低得多，能够促进垂直于基板的细长且不间断柱状晶粒的更均匀生长。同时，二次扫描使每个层的顶部形成均匀的浅熔池，抑制了初始（主）熔池侧面的横向（水平）晶粒生长。低能量的二次扫描所输入的额外热量导致了更均匀的凝固模式，从而为获得均匀且不间断的晶粒结构创造了条件。 总的来说，这项研究首次提出了激光后曝光处理（具有明显较低能量的二次激光扫描），作为LPBF过程中原位微观结构控制的新方法，可真正实现控形控性。 参考文献：https://doi.org/10.1016/j.addlet.2022.100110 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.新的热处理技术，为3D打印的涡轮叶片「获得工业应用」扫清道路 2.结构优化+轻质材料 | 铂力特3D打印钛合金卡钳助力小鹏飞行汽车减重 3.西工大林鑫教授团队：增材制造钛合金获得全等轴细β晶粒 4.突破：1.6GPa超强钛合金，达到现有所有3D打印金属中最高比强度

众所周知，西门子已将采用LPBF工艺3D打印的涡轮叶片用于燃气轮机，这种比传统工艺更高效、更具成本效益的零件制造方式除了具有环境和成本优势外，还可以让制造商快速生产出更复杂、更节能的叶片几何形状。 然而，3D打印特殊的熔凝过程所产生的微观结构则限制了零件在高应力环境下的使用，高温蠕变性能是高温应用下的重要性能，对零件的寿命产生极大的影响。在冶金学中，蠕变是指金属在持续的机械应力和高温下发生永久变形的现象。研究人员研究了涡轮叶片3D打印的工艺和组织结构，发现3D打印会产生大小为数十至数百微米的细晶粒——一种特别容易发生蠕变的微观结构。 西门子采用激光3D打印涡轮叶片 麻省理工学院航空航天专业波音职业发展教授Zachary Cordero表示，“在实践中，这意味着燃气轮机的寿命会更短或导致燃油效率更低，这些都是代价高昂且不受欢迎的结果。” 3D打印技术参考注意到，麻省理工学院的研究人员于近期开发了一种新的热处理方法可以改变3D打印金属的微观结构，使材料在极端热环境中强度更高、更具抗蠕变性。该技术可以有望使3D打印的高性能叶片真正实现工业应用。 01新的热处理方法获得所需求的材料微观结构 新的热处理方法实际上是一种定向再结晶的过程，该工艺已成熟用于锻造材料。将3D打印的零件以精确控制的速度通过热区，材料的许多微观细晶粒将生长为更大、强度更高、更均匀的柱状晶粒。 在具体的操作过程中，研究人员将棒状高温合金的3D打印样品放置在一个室温水浴中，水浴放置在感应线圈的正下方。他们以不同的速度缓慢将每根棒从水中拉出并穿过线圈，将棒加热到1200-1245℃之间的温度。研究发现，在特定速度（每小时2.5mm）和特定温度（1235℃）下处理的拉伸棒会产生陡峭的热梯度，从而引发材料微观结构的转变。 定向再结晶实验装置 研究人员表示，“材料开始时带有位错缺陷，当加热时，这些缺陷会消失并重新配置，晶粒能够生长。通过消耗有缺陷的材料和更小的晶粒来不断拉长晶粒，这一过程被称为再结晶。”本质上讲，再结晶是晶粒的选择性长大和晶界竞争迁移的结果。 零件经热处理后，研究人员使用光学和电子显微镜检查了它们的微观结构，发现材料的打印态微观晶粒生长为柱状晶或被明显大于原始晶粒的长晶体状区域所取代，这意味着材料微观结构发生了改变。新的热处理方法可以将晶粒尺寸增加几个数量级，达到大量柱状晶粒，这在理论上将显著改善蠕变性能。 02材料微观结构影响和决定材料性能的重要因素 材料的显微结构是影响和决定材料性能的重要因素。3D打印技术参考通过查询相关文献注意到，定向再结晶动力学实验结果表明柱状晶可以直接从无织构的小等轴晶中长大，不同的热区温度对应着不同的抽拉速率范围和最佳抽拉速率，在最佳速率定向柱状晶将获得最大的长径比。 该团队表示，他们可以控制棒状样品的拉拔速度和温度，以调整材料微观结构的改变，从而创建具有特定晶粒尺寸和方向的区域。当柱状晶的方向与零件所受的最大应力方向对齐时，材料能够最大限度的抵抗蠕变。这种控制水平可以让制造商最终获得在特定位置具有特定微结构的涡轮叶片，这些微结构能够适应特定的工作条件。 西门子使用3D打印制造涡轮叶片热处理将使材料具有更高的热端寿命 研究人员计划在更接近涡轮叶片的3D打印零件上进行测试，同时也在探索加快拉伸速度的方法，以及测试热处理结构的抗蠕变性。研究人员设想，在不久的将来，燃气轮机制造商将在大型增材制造厂打印叶片，然后使用这种新的热处理方法对其进行后处理，3D打印的具有新冷却架构的叶片可以提高涡轮机的热效率，同时燃烧更少的燃料，最终排放更少的二氧化碳。 研究人员表示，这种热处理工艺为3D打印的燃气轮机叶片获得工业应用扫清了道路。 推荐文献：https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103198 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.西门子能源：90台金属3D打印机、100种认证应用案例、400种零件进入批量生产 2.发动机涡轮叶片的传统与3D打印制造过程 3.研究人员使用SLM技术3D打印单晶纯镍及3D打印单晶热处理制度 4.华中科大开发出一种消除裂纹、同时提高强度和延展性的3D打印镍基高温合金热处理方案

12月1日，3D打印技术参考注意到，知名增材制造行业市场数据和咨询服务提供商SmarTech发表了其最新报告《Metal Parts Produced 2022: Global Market Data & Forecast》——2022年全球金属3D打印零件：全球市场数据和预测。该报告跟踪当今众多关键行业生产的3D打印零件数量，包括各服务提供商以及专业市场原始设备制造商和供应商生产的零件，对各种金属增材制造工艺当前和未来预期收益做出判断。 由于金属增材制造对供应链短缺强大的弥补作用，强调采用该技术并加大投资的趋势不会改变，市场整体将继续快速发展。SmarTech预计到2031年，金属3D打印技术每年将生产超过750亿美元的组件。《Wohlers Report 2022》显示，2021年全球制造业市场总量为14.2万亿美元，但增材制造仅占其中的0.1%；但其认为，3D打印行业总有一天会超过制造业经济的5%，并增长到7100亿美元以上。 航空航天、汽车、消费品、医疗、一般工业等是金属3D打印技术的主要应用领域。该技术通常被用来制造原型和工具，但值得注意的是，金属增材制造应用的关键领域越来越多的应用都与各种最终用途零件的生产有关，这证实了过去几年的对该技术的采用趋势和行业对生产应用的关注。此外，根据该报告，SmarTech得出结论，与传统生产技术相比，航空航天和医疗行业在通过3D打印制造零件实现价值方面仍然是最具吸引力的行业。 金属3D打印的工艺种类多达20余种。对于依赖的能量类型，不局限于激光和电子束，还包括电弧、超声波、后烧结、搅拌摩擦等等，此外还有基于粘结剂喷射、模具浆料沉积以及基于DLP的间接金属3D打印工艺。一些新工艺的出现使制造局限获得了极大突破，制造形式更加丰富多样。当作为一个整体考虑时，金属增材制造有足够多的工艺为石油/天然气、可再生能源和汽车等众多行业带来增值机会。随着新技术和创新不断扩大并解决技术弱点，预计金属增材制造的可能应用将继续扩展到未知但高价值的领域。 SmarTech报告显示，粉末床熔融 (PBF) 目前仍是金属增材制造零件市场应用最多的技术。3D打印技术参考注意到，区域金属3D打印技术的代表制造商Seurat Technologies于今年第四季度宣布与三大制造商签署了25吨零件的制造协议，这是该公司基于当前最先进的、也是独有的区域面成型粉末床激光熔融技术获得的最大订单。 来源：《Wohlers Report 2022》然而展望未来，SmarTech预计金属粘结剂喷射有望成为取代传统制造方法的领先金属3D打印零件工艺。这项技术号称能够实现金属3D打印低成本、批量化生产，拥有高于其他3D打印技术数十倍的工作效率。CONTEXT的最新市场研究结果指出，虽然该工艺目前还不是主导技术，但它是增长最快的技术之一。 3D打印技术参考认为，对于各种报告的数据，仅仅是一个参考。SmarTech出具的不同工艺相关的报告甚至有时候相互矛盾，我们只需获取报告描述中的关键信息即可。 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.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.高效完成结构损伤测量，高精度三维扫描助力飞机精准放行 4.钨金属的不同3D打印工艺，优势互补、潜力无限