2021年2月8日，全球领先的金属增材制造供应商美国西亚基公司（Sciaky）宣布，其在2020年采用电子束增材制造技术沉积的钛合金总量达到5443公斤，并超过了此前历年数据。即便处在疫情期间，美国的高端制造业似乎并未受到严重影响，无论汽车制造还是火箭试车与发射，都在照常进行。 Sciaky的电子束增材制造金属3D打印解决方案是一种基于丝材的定向能量沉积工艺（EBAM） 西亚基的绝大多数钛合金沉积制造都与零件生产有关，这些零件多用于已经过认证的航空航天和国防应用，以及用于研发的各种钛合金原型。此类项目因签有保密协议而不会向外界公布细节。 电子束丝材增材制造的强大之处 电子束增材制造减少了与传统制造（即锻造和铸造）相关的时间和成本。西亚基的EBAM 300打印机曾在48小时内以约6.8公斤/小时的速度生产了一个3米长的钛飞机结构；通常，使用该工艺可以在2天内完成以前需要6-12个月才能完成的锻件。相对于其他金属增材制造工艺，EBAM根据材料和零件特征的不同，每小时可沉积3.18-11.34公斤材料，速率高出近十倍。简单地说，EBAM技术为零件尺寸和质量提供了真正的可扩展性，并在一定应用范围内是最具成本效益的工业金属3D打印工艺。 西亚基EBAM 3D打印机 西亚基EBAM 3D打印的零件 西亚基的电子束沉积工艺可以打印钛、钽、钨、铜、铝、不锈钢以及高温合金等材料。在许多情况下，金属焊丝原料比粉末原料便宜50％甚至更多，而且更安全、更易于存储。其最大可以打印5.79 x 1.22 x 1.22 m的零件或结构，或者制造直径最为2.44 m的圆形零件。获得专利的IRISS闭环控制技术，提供了对零件几何形状和材料成分的极高控制，能够实现自动化和自适应实时过程控制、自动过程变量采集和记录，进而保证零件一致的组织和力学性能。 航空航天、国防是最重要的应用领域 在3D打印技术领域，一家公司能够在一年内消耗5.4吨钛合金材料，但这绝不能仅仅归因于设备的高吞吐量，更重要的是其拥有的订单数量。据西亚基吐露，其目前拥有五台大幅面3D打印机，同时有来自航空航天和国防客户的大笔订单。因签有保密协议而无法获知项目详细信息，但通过其此前的合作的客户情况。 西亚基客户覆盖领域 2014年，西亚基向洛克希德•马丁公司制造了空间系统的关键半球形罐组件；2016年，西亚基向空客交付了大型工业级金属3D打印机，在这之前，该公司已经为空客制造了飞机机翼的内部结构；2017年，西亚基宣布将为国际潜艇工程（ISE）AUV潜艇生产金属3D打印部件；2020年，西亚基宣布获得了12个新的航空航天项目，涉及从高级研发到原型制造以及最终零件生产制造。目前，西亚基公司的EBAM技术是唯一获得批准的陆、海、空和太空应用的工业金属3D打印解决方案。 西亚基在陆、海、空及太空领域的应用 在其他领域，该公司也已针对密集型军事应用进行了验证，例如3D打印机身、起落架以及导弹和车辆零件等。但总的来说，对于大型金属3D打印技术来说，航空航天和国防是其最重要的应用领域。 钛合金3D打印需求正在强劲增长 增材制造钛合金试件的静力性能接近甚至超过了锻件标准，其抗拉强度可达1200Mpa。相比传统切削加工，3D打印在钛合金成型方面也表现出易加工、浪费少的特点，同时能够满足小批量、个性化和快速设计响应需求；此外，3D打印还为钛合金材料轻量化、构型设计、集成化快速设计制造提供了新的思路。 基于优异的综合性能和较高的技术成熟度，增材制造钛合金( 如 TC4、TC11、TiAl 等) 已经广泛应用于国内外多型飞机的典型复杂结构件以及航空发动机零部件，并表现出明显的低成本、高效率等优势。 钛合金在金属3D打印材料市场中一直处于领先地位，根据《Market Analysis Report》，其在2019年占全球收入的65.3％，这不仅取决于用量，也取决于价格。航空航天业采用3D打印制造钛合金原型成为促进增长的主要因素，而它在重量、强度和腐蚀性方面满足行业要求的能力使其能够保持可持续性的增长。 七种主要3D打印工艺和六种材料中每种工艺的材料产品数量（来源Wohlers Report2020） 2017-2020年，金属3D打印材料的用量均稳步增长，镍、钢、钛引领市场（来源Wohlers Report2020） 在所有材料形式中，粉末材料又占据主要市场份额，在2019年这一数值为92.6%。得益于应用市场的发力，钛合金粉末的价格在近年来快速下降，无论国产还是进口，价格基本在1300-1800元/公斤，并还有进一步下降的趋势和空间。得益于此，钛合金3D打印的应用领域也逐渐超出航空航天的应用范围，开始向汽车及大工业领域拓展， 国产钛合金3D打印粉末市场正在蓬勃发展。 但与粉末床技术相比，一部分设备制造商的注意力已经开始转向基于电弧或电子束的金属丝材增材制造技术，此类技术制造成本更低，并且能够突破成型尺寸的限制。《Market Analysis Report》预计2020年至2027年，金属丝材增材制造市场的复合年增长率将达到25.8％。未来几年，该技术将出现明显的增长趋势。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.铝和钛：航空航天增材制造的绝佳选择 2.含钛合金和超级合金3D打印组件，毅力号今日成功着陆火星 3.当前国内外高强铝合金种类、性能信息汇总 4.航发综述：增材制造典型复杂结构的种类及应用情况

导读：有一家中国工业级高温3D打印设备制造商近年来获得了飞速发展，拥有包括剑桥大学、汉诺威大学、Fraunhofer、NASA、中科院等国际顶尖科研机构客户，颇受市场青睐。其近期推出的最新型大尺寸高温3D打印机再次获得某知名科研机构的订单，这家公司就是INTAMSYS（远铸智能）。 当前，随着FFF/FDM打印技术在各行业应用的不断深入，其在轻量化设计、低成本、快速交付等方面的显著优势，让3D打印技术在终端部件生产、工装夹具等方面的应用范围越来越广。与此同时，工业级别生产对材料性能、可打印尺寸、打印效率也提出了越来越高的要求。 据《Wohlers Report 2020》的调查数据，2017-2020年，以PEI、PEEK、PEKK、PPSU等为代表的高性能聚合物材料的用量增长明显。而目前高性能材料主流的3D打印工艺只有借助工业级FFF/FDM打印设备才可以实现。这也意味着，以高性能聚合物为应用材料的工业FFF/FDM技术正在经历高速的发展。 INTAMSYS FUNMAT PRO 610 HT 产品图 一次性打印“全尺寸”零件成为可能 传统FFF/FDM 3D打印设备的成型尺寸普遍在400x400x400mm以下，INTAMSYS除了常规成型尺寸的打印设备之外，已有大尺寸工业级FFF/FDM打印设备推向市场。FUNMAT PRO 610 HT 成型尺寸高达610*508*508mm，能够满足打印大尺寸零件或多个相对较小尺寸零件的生产需求。 图：FUNMAT PRO 610 HT 打印的ULTEM样件 要实现高效率的大尺寸打印，在驱动和传动系统上，需要着重解决电机转速、定位精度等关键挑战。FUNMAT PRO 610 HT 在XYZ三向运动机构上均采用伺服控制系统，具有机电时间常数小、线性度高等特性，可使控制速度、位置精度非常准确；传动系统采用高精度丝杠导轨结构，具有传动效率高、轴向刚度高、精度高等特点。更精确的定位控制使大尺寸一次成型更加细腻，充分满足工业级别对于生产制造的高精度要求。 仅凭高温组件，不足以支持大尺寸打印 FUNMAT PRO 610 HT配备高达500°C的全金属双喷头，可打印FFF市场上几乎所有高性能材料。但仅凭高温组件不足以支撑大尺寸打印，另一个关键挑战是大尺寸部件在打印过程中的变形翘曲开裂现象。基于INTAMSYS FUNMAT HT平台成熟的运行经验，FUNMAT PRO 610 HT增强了腔室热设计，300℃恒温腔室可以满足打印件温度的均匀性，从而能够很好的解决变形翘曲开裂问题。同时，高温恒温腔室也实现了打印与后处理的一体化，打印件可以更好的成型，并具备较高的机械强度和较低的内应力。 为了确保模型打印的成功率和优化设备维护时间，FUNMAT PRO 610 HT的液冷系统可显著解决丝材打印堵头问题，延长打印机的寿命和提高大尺寸打印件的质量。 高性能材料广泛应用于高端需求行业 INTAMSYS一直致力于工业级3D打印技术在垂直行业中的应用推广，并不断结合特定应用持续优化3D打印设备和材料。在应用方面，工业级FFF/FDM技术可以为汽车制造、航空航天、军工、石油燃气、医疗等行业的小批量生产提供多材料一体化的3D打印解决方案。 以航空航天行业为例：近年航空航天行业发展迅速，更轻更强已经成了业内发展的目标。因此，PEEK、ULTEM等具有较高强度重量比且耐损耗的高性能材料被广泛应用。作为航天器部件，优异的机械强度和阻燃性必不可少。在这些严苛的需求中，ULTEM 9085脱颖而出，这种材料具备与金属相近的机械强度和远低于金属的密度，同时，它的阻燃性和无烟无毒性也满足了航空航天产业的要求。 图：FUNMAT PRO 610 HT 打印的尼龙碳纤材料样件 FUNMAT PRO 610 HT兼容市面上主流高性能3D打印材料，是打印大尺寸PEEK、PEKK、ULTEM、PPSU等高性能材料的理想选择。工业级智能双喷头设计可处理多种复杂结构，可升降双喷头能够避免打印过程中对打印件的刮擦。FUNMAT PRO 610 HT的打印喷嘴还具备自动清洁、堵头智能检测、喷头智能校准的设计。专用合金喷嘴具有硬度高、耐磨性好，可打印纤维增强材料，使用寿命远高于常规喷嘴；模块化结构便于更换或维护。 扫描下方二维码，可获得FUNMAT PRO 610 HT和更多INTAMSYS的产品信息 END 作为全球领先的工业FFF/FDM 3D打印设备供应商，INTAMSYS一直致力于以创新增材制造解决方案，推动行业技术发展，拓展3D打印的应用领域。从功能测试到最终产品，从个性化定制到规模化制造，我们不断通过技术创新为行业带来新的价值，拓宽行业的边界。 凭借出色的热设计、大尺寸打印的能力、开放的材料系统及其有竞争力的价格优势，INTAMSYS工业级高温3D打印机受到了欧美市场各大科研机构的青睐，并已陆续出货。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.3D打印的高温树脂能耐多高温度？还能用于发动机点火 2.利用高性能复合材料和金属3D打印解决更多制造挑战 3.由Markforged Metal X了解金属桌面3D打印机的应用特点 4.3D打印技术飞上太空，PEEK助力立方星研发

随着Covid-19持续爆发，旅游业尚未收到复苏信号，全球各大航空公司深受负面影响，波音公司正在应用更多的先进技术，通过VR虚拟模拟帮助训练飞行员，减少实际执飞的飞行培训时间。同时应用AR-Augmented Reality (增强现实) 技术来帮助航空工程师；并使用3D打印技术快速迭代飞机零件。 VR-Virtue Reality（虚拟现实）可以让使用者沉浸在可交互的世界中，同时消除我们在危险的现实世界中可能面临的风险。如今，虚拟现实已经远远超越了单纯的游戏范畴，已经被制造业、航空业、医疗应急服务等高风险行业所接受。 图 | 索尼的PS VR 已经被市场广泛接受，占有率很高 近日，美国俄克拉荷马州州长视察波音公司的高级可视化和沉浸式发展中心；这家位于美国俄克拉荷马州的航天巨头十分重视3D打印技术和AR/VR等尖端数字技术在航空业的应用。 图 | 飞机维护副总监NancyAnderson带领俄州州长Kevin Stitt参观 在技术快速发展的时代，波音公司已经开始运用最新数字技术。通过3D扫描和3D打印，波音研发团队能够直接制作飞机中的数百万个零部件，迭代飞机组件；利用沉浸式体验的AR模拟器，波音公司可以测量飞行升力和阻力并实现飞行序列的完全模拟，即使在飞行员未升空的情况下，飞行员也能熟悉飞机操作。 VR技术帮助训练飞行员 飞行员的训练一直是一项重大课题；以美国空军为例，要想成为一名合格的飞行员至少要完成2000小时以上的飞行训练，而每小时的综合飞行成本就超过4万美元，而在中国，如果想要成为一名合格的战斗机飞行员，至少要在航校接受长达8年的训练，然后只有完成超过上千小时的飞行任务的飞行员才有资格驾驶三代机，另外像歼-20这样的重型隐形战斗机，其对飞行员的要求会更高，相应训练成本就会更大。所以有专家指出，中国战斗机飞行员的训练成本至少约为1亿人民币。 波音公司的传统飞机模拟舱 传统上，飞行员对技能和信心要求很高，飞行经验只能在空中获得。AR和VR彻底改变了这一培训过程。而使用VR技术，可以与传统飞行模拟舱结合，将人的经验与大数据分析融合一体。 可以肯定的是，各国空军和各大航空公司都对飞行员实施了VR培训，以减少培训时间，增加知识保留率，提高安全标准——与此同时减少了潜在的飞行事故-损失高达数百万美元的风险。 图 | 美国空军使用VR训练飞行员 图 | 员工展示VR模拟飞机内部环境和维护操作 利用沉浸式体验的VR模拟器，波音公司可以测量飞行升力和阻力并实现飞行序列的完全模拟，即使在飞行员未升空的情况下，飞行员也能熟悉飞机操作。 使用VR/AR培训飞机工程师 航空航天器制造过程的精密性，要求工程师必须经过高强度的培训，甚至连一些老师傅也不得不随时查阅资料。将AR技术结合入培训行业，已经不是什么新鲜事。航空航天行业中，传统的操作指南以文档式的方式来静态表示，常为2D图形。而增强现实技术，在生产现场，建立增强现实的三维操作指南，把“虚”与“实”有效结合，把操作要求与立体画面叠加到加工实体上，使操作人增强对虚拟信息的理解，并将虚拟信息现实化，给操作人直观而真实的体验，提升其认知力，更有效地发挥操作指南的作用。 图 | 波音公司开发的AR布线试验系统 航空工程师在喷气式发动机和涡轮机等复杂结构上的学习实践不多。采购飞机的部件用于培训是费时的，而且成本非常高。大多数学员只有在飞机送来维修时才有机会上手。而随着飞机技术变得越来越可靠--实习工程师的机会变得越来越少。VR弥补了实习工程师和他们使用飞机进行物理训练之间的鸿沟。 图 | 航空工程师接受TrentXWB航空发动机的虚拟现实培训 在波音公司的高级可视化和沉浸式发展中心的反馈表明，VR技术是一种可行的学习工具，不仅可以提高航空维修的效率和熟练程度，还可以直接并以成本效益高的方式使飞行员和工程师更有信心、更有能力；从而使飞机更安全、更可靠。 3D打印快速迭代飞机部件 除VR/AR的大量使用外，波音公司还运用3D扫描和3D打印技术对飞机部件进行进一步研究和测试，并能够短时间内做出相应的技术调整。通过3D扫描和3D打印，波音研发团队能够直接制作飞机中的数百万个零部件，迭代飞机组件在迭代部件最终运用前，波音团队能够不断对其进行测试和改进，而Raise3D Pro2打印机把这些数字设计打印成实体组件。 Artec Space Spider扫描仪可以在几分钟内捕获三维图像，然后用Pro2系列打印机打印 图 | 波音公司高级可视化和沉浸式发展中心员工向俄克拉荷马州州长Kevin Stitt介绍Pro2 系列打印机 航空航天行业之所以是3D打印技术的重要舞台，原因有以下两点：第一，航空航天设备往往具有“多品种、小批量”的特点，尤其在试制阶段许多零部件都需要单件定制，若采取传统工艺则周期长、成本高，3D打印则可以实现低成本快速成型。 第二，“减重”是航天器迭代的永恒主题，出于减重与强度要求，航空航天设备中复杂结构件或大型异构件的比例越来越高，若采用传统的“锻造+机加工”方式，则所需工序繁多、工艺复杂，甚至根本无法直接加工，而3D打印在复杂部件加工方面具有明显优势。 图 | 2017年中国商飞购买的功勋机型N2 Plus 不仅在美国，在国内，3D打印也已经进入民航领域，中国商飞也购买了N2 Plus 3D打印机，协助进行零件研发/迭代工作。3D打印和VR/AR技术不断推动着航空航天业的发展；无论是波音、空客还是中国商飞，作为航空业巨头，在如今疫情大环境下，他们都会不断应用最新数字技术，以备战未来市场复苏后的竞争，推进航空制造业的发展。

Ti2AlNb，具有高的比强度、抗氧化性、无磁性以及优异的高温力学性能，是最具潜力的航空航天发动机用材料之一，对于降低飞行器自重、提高燃油效率和高温服役性能具有重要意义，适合用于制造热端部件的新型轻质高温结构。其应用领域主要包括：航空发动机、卫星发动机等，代表性的零件包括发动机机匣、发动机叶片、隔热套、涡轮盘等。BLT-Ti2AlNb: 更轻！更强！Ti2AlNb虽具有较高的强度，但其延伸率较低，室温下其脆性很大，无法加工成具有精细结构的复杂零件，极大的限制了其广泛应用。金属3D打印技术克服了传统加工方式的困境，在一体成形实现复杂精细结构的同时可达到相关性能要求。例如，SLM成形Ti2AlNb材料与航空航天常用的SLM成形GH3536高温合金材料相比，在900℃下二者强度相当，但Ti2AlNb材料的密度仅为其64.5%铂力特开发BLT-Ti2AlNb粉末产品可以实现耐高温特性，同时面向增材制造的设计可以实现复杂精细结构、优化设计结构。

1月25日，SLM Solutions发布消息称，已与一家大型欧洲OEM签署了谅解备忘录，后者将购买五台NXG XII 600机器。双方之间的正式合同将在2021年第二季度签署，第一台机器交付时间定于2022年。该协议还允许保留和分配生产时段。 NXG XII 600 12激光3D打印机 NXG XII 600是SLM Solutions于2020年11月发布的最新型面向工业批量生产的金属3D打印机。这台机器备受关注不仅仅是因为配备了12台1千瓦的激光器和600x600x600mm的成型舱室，同时使用了光学变焦、全新优化的风场舱室以及成熟的烧结多孔风墙专利技术，使其成为目前市场上打印效率最快的设备，同时具备高效的稳定性和安全性。 此设备主要用于大尺寸零件的批量化生产，为汽车和航空航天等行业新应用带来更多的可能，为工业级的批量化生产开启新的篇章。该客户将是第一批购买该型号打印机的公司，并打算将其用于批量生产。 12激光同时烧结 此外，SLM Solutions还与另一位客户签订了一台Beta机器合同，并将在2021年第二季度交付。基于此，SLM Solutions在2021年可能将延续2020年的优秀成绩，即便这家公司又更换了CEO。 目前，已上市的超过4激光的金属3D打印机品牌只有SLM Solutions和Velo3D。后者是业内第一家推出商业多激光金属3D打印机的企业，Sapphire XC系统配备8台1KW的激光器，成型尺寸为φ600 x 550mm，其客户主要来自航空航天和能源行业。 另外，3D Systems和Additive Industries也在分别开发9激光器和10激光器的SLM设备；Fraunhofer则基于“Future—AM” 项目开发出了5振镜、可扩展的下一代金属3D打印技术。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.五家 | 多激光、超大型金属3D打印的时代或已到来 2.中文视频：SLM Solutions上市12激光、20倍速NXG XII 600金属3D打印机 3.国内打印尺寸超400*400mm的SLM品牌、问题、优势及发展的内在驱动力 4.GE增材：金属3D打印中气流（风场）设计的重要性

国家增材制造创新中心、西安交通大学卢秉恒院士团队利用电弧熔丝增减材一体化制造技术，制造完成了世界上首件10m级高强铝合金重型运载火箭连接环样件，在整体制造的工艺稳定性、精度控制及变形与应力调控等方面均实现重大技术突破。 10m级高强铝合金重型运载火箭连接环实现一体化制造 10米级超大型铝合金环件是连接重型运载火箭贮箱的筒段、前后底与火箭的箱间段之间的关键结构件。该样件重约1t，创新采用多丝协同工艺装备，制造工艺大为简化、成本大幅降低，制造周期缩短至1个月。目前，采用增减材一体化制造技术成功完成超大型环件属国际首例。 大型铝合金构件的直接制造有着重要需求 随着航空航天技术的不断发展，对飞行器的性能提出了越来越高的要求。采用高性能铝合金结构件尤其是大型整体铝合金主承力结构件仍然是减轻飞行器结构重量，提高运载能力和飞行速度的重要技术途径之一。因此高性能铝合金的材料制备和零件制造新工艺、新方法始终是研究的热点。 一些民用干线飞机用材结构比例（%） 近年来，美国、欧洲的航空设计部门发现，采用大型整体式铝合金构件替代传统的组合式铝合金构件，可减重15-20%，并且构件寿命及可靠性明显增加。明显可以感觉到，大型客机、战略运输机、战斗机的机翼主翼梁、翼身对接肋、机身承受力框等对铝合金的高性能化、构件大型化的要求越来越突出，总的来说，在航空航天领域，铝合金材料重新受到重视。 随着我国航空航天事业不断发展，对运载火箭、空间站等大型化、整体化制造提出了更高需求。为抢占世界增材制造科技战略高点，满足我国航天事业发展需要，卢秉恒院士团队潜心研发，克服了多路打印的运动控制、大尺寸结构件打印的变形与应力调控等难题，成功实现了大型航天铝合金回转体构件整体增减材制造成形、组织性能精确调控等关键技术突破，为我国航天型号工程的快速研制提供了技术支撑，亦让我国深空探测装备硬件能力得到大幅提升（延伸阅读可查看国家增材院的相关课程）。 卢院士等人与10m级高强铝合金重型运载火箭连接环 据笔者了解， 2020年第四届中国（西安）国际3D打印博览会暨高端论坛期间，一款名为「大型金属制件增锻减装备」被发布，该设备是齐重数控为西安增材制造国家研究院有限公司开发的大型筒体电弧增材制造装备（国家重点研发计划项目）。3D打印技术参考猜测，本次成功一体化制造的10m级高强铝合金重型运载火箭连接环很可能就是采用该设备制造。 采用激光能量沉积直接制造铝合金构件的瓶颈 当前以SLM技术为主的铝合金3D打印工艺自然无法满足大型构件的制造需求，而激光能量沉积技术为什么没能用于大型整体高性能铝合金关键金属零件的直接制造呢？究其原因，主要有以下几点关键技术难题未能有效解决： （1）与钢和钛合金相比，铝合金的导热率更高，而铝本身的激光吸收率低、反射激光率高，在铝合金激光直接沉积过程中，会有更多的能量通过基体的热传导损失掉，降低铝合金零件成形效率； 激光沉积用于修复 （2）钢的热膨胀系数是铝合金的一半，铝合金激光直接沉积过程中的变形和应力都较大，需要采取零件变形开裂预防措施； （3）铝合金在激光直接沉积过程中极易与氧发生反应生成熔点高（2050℃）、相组织稳定、密度相对较高、难以去除的Al2O3。Al2O3氧化层会在后续沉积过程中形成夹渣、未熔合等缺陷； （4）铝合金密度低，激光沉积过程中易受到激光轰击产生粉尘飞溅，一方面使制品产生缺陷，另一方面造成成形腔室粉尘飞扬，影响打印环境； 激光沉积用于修复 （5）铝合金在熔融的状态下，氢在铝合金中的溶解量会大幅度增加，同时由于良好的导热性，在熔池快速凝固的情况下，氢难以逸出，滞留在熔池中形成气孔； （6）铝合金在激光直接沉积过程中可能造成低沸点合金元素（如Zn、Si等元素）烧损，造成合金成分的变化，影响零件的组织和性能。 无须高能热源、不需气体保护，一种高速成型的铝合金3D打印技术 3D打印技术参考曾介绍过一种被称为搅拌摩擦增材制造的新技术，它完全不基于高能热源，也不需要保护气氛，还能以10倍于熔融成型3D打印的速度制造大型整体构件。美国公司Meld Manufacturing公司采用该技术打印出了直径3.05米的铝合金零件。 3D打印的直径3.05米的零件 搅拌摩擦增材制造的基础是搅拌摩擦焊技术，它利用搅拌针与连接件的搅拌摩擦产生热量软化连接处的材料，再通过轴向的压力使得材料连接在一起。这样的焊接方式没有经过金属的熔化与凝固，只是经过塑性软化和轴向的挤压，连接处在材料性能上存在一定的优势。对于大型铝合金增材制造具有相当的优势。 Meld Manufacturing搅拌摩擦增材制造过程 铝合金棒材在进料过程中通过与搅拌针摩擦生热，发生塑性软化，然后再通过两者的挤压，实现增材过程。在这样的过程中，材料并未经历熔化与凝固而一直保持固态，且过程中的挤压又起到“锻造”作用，最终得到的是性能良好的细晶组织。细晶组织具有良好的机械性能和疲劳性能，且能改善材料的延展性，这也是材料提高强度等性能的原因。 Meld Manufacturing采用搅拌摩擦增材制造的部件 此外，由于成形过程中不存在金属的熔化/凝固过程，材料在成形过程中不会产生与熔化相关的热裂纹、气孔等冶金缺陷。而正是由于成形温度低且成形发生在材料内部也不会受外界影响造成材料氧化等问题，生产过程可以在露天环境中进行，所制造的部件的尺寸显著增加。 END 通过本文我们可以知道，大型铝合金构件虽采用主流的激光沉积制造存在问题，但新型的搅拌摩擦增材制造以及电弧增材制造却均取得了极大成功。 而国家增材制造中心自2016年开始建设，2020年元月份经过了能力的验收，可以提供面向各行业产品开发的解决方案。目前已开展了重大装备的开发，有八款新的增材制造装备研发成功，其中包括“五轴激光增减材复合制造装备”，有望成为国产工业级别的商用机。 注：本文内容来自3D打印技术参考，转载请注明来源。主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.铝合金激光能量沉积技术为何难以实现应用，目前的突破有哪些 2.重磅：国家增材制造创新中心推出“激光增减材复合制造装备” 3.国家增材院课程：金属熔丝高效低成本增减一体化制造技术及应用 4.无须高能热源、不需气体保护，能以10倍速度成型的金属3D打印技术

SLM过程中的缺陷可分为铺粉过程缺陷和打印过程缺陷，铺粉过程缺陷有粉层不规则，打印过程缺陷有飞溅、球化、气孔、表面质量差、裂纹、几何变形等。来自华中科技大学的曹龙超博士等总结了文献中报道的 SLM制造中常见缺陷及其形成机理。下面对不同缺陷及其形成过程进行介绍，并总结不同缺陷对打印构件的应用造成的影响。 缺陷是SLM技术在工业中广泛应用的最大瓶颈之一 1.飞溅 飞溅是SLM过程中最常见的一种缺陷，会直接影响激光与材料相互作用，导致其它缺陷的产生。研究表明，飞溅主要是由侧向保护气流、熔池的波动和反冲压力引起的。飞溅落在粉末上会形成较大的金属颗粒，进而产生欠熔合和气孔缺陷，对构件的抗拉强度和疲劳性能不利；此外，飞溅落在凝固层表面会影响下一层铺粉，导致下一粉层不平整、不均匀，甚至损坏刮刀。 激光熔池与激光束相互作用的物理过程 为使金属粉床不被飞溅污染，可以采用高速的保护气流移除飞溅物。然而，过大的气流会影响粉层的表面质量，如何优化气流技术，成为制造商不断努力的方向。 2. 球化 球化是金属基粉床制造过程特有的冶金缺陷，当液态金属在表面张力作用下凝固成球状便会产生球化。激光束能量密度过高和过低都会导致这种现象，能量过低时金属粉末未完全熔化会导致球化，能量过高时，液态金属飞溅到未熔化的金属粉末上也会形成球化。球化会影响下一层的铺粉质量，影响构件的表面质量，还会导致熔合不良、夹渣等缺陷。进一步地，球化会降低构件的抗拉强度和抗疲劳性能。减少和避免球化的有效手段，需要优化打印工艺，找到最优的参数组合。 3D打印Ti6Al4V合金中的缺陷及其作为疲劳裂纹存在的示例 3. 气孔 气孔是SLM构件最主要的缺陷类型，是对SLM构件力学性能影响最大的缺陷之一，也是工业界和学术界关注的焦点之一。SLM过程中，材料迅速的熔化和凝固、熔池剧烈波动等会导致气孔的产生。气孔的尺寸、数量、形貌和位置均对构件的力学性能有重要影响，较高的气孔率会缩短成型件的疲劳寿命，靠近表面的气孔对成形件的疲劳性能影响比其它位置的都大。根据气孔的形成机制可将其分为原材料相关的气孔和激光作用导致的气孔。 气孔的产生过程十分复杂，并与工艺参数关系密切。合理的打印工艺，以及针对材料使用次数不间断的工艺优化，仍然是避免气孔产生的重要条件。 4. 表面质量 随着 SLM 技术的发展，可打印材料的种类越来越丰富，且构件的力学性能得到了很大提升，但是相对较差的表面质量仍然是限制SLM 发展与工业应用的主要阻碍之一。中间层的表面粗糙度会影响下一层的铺粉质量，导致内部缺陷产生；成形面的表面粗糙度会严重影响构件的疲劳性能。 不同激光功率下的上表面 SEM 和重构图像 表面质量与熔池的流动行为密切相关，通过调控激光功率、扫描速度和粉层厚度等工艺参数可以有效的改善表面质量；也可以通过后处理来提高构件表面质量，但是会增加成本、降低效率，因此，需探索新方法以提升构件的表面质量。 5. 裂纹 SLM 过程中裂纹的形成与温度分布、残余应力及熔合不良有关。残余应力形成的裂纹又可以分为凝固裂纹和液化裂纹，这类裂纹与材料有关，凝固裂纹是由于熔池与凝固金属之间存在较大的温度梯度，导致熔池产生较大形变，然而液体的流动性不足，不能补充熔池产生的形变；液化裂纹出现在部分熔化区，它与液化范围、晶粒结构、热延伸率、金属的收缩和约束有关。 3D打印的金属涡轮叶片内部的裂纹 此外，熔合不良形成的欠熔合也是SLM构件常见的一类裂纹，它对 SLM构件的力学行为和疲劳寿命有致命影响。欠熔合裂纹多出现在相邻的扫描熔道之间或者沉积层之间，主要是金属粉末不完全熔化造成的，裂纹严重时还可能导致分层缺陷。 分层缺陷实例 裂纹对SLM构件有致命性的影响，减少SLM构件裂纹缺陷是学术界和工业界面临的重要挑战。合金化与调整工艺参数是改善微裂纹的两种可能的方法，但成功率仍然有限。目前，针对SLM构件裂纹的研究较少，亟需深入研究。 6. 几何变形 SLM过程中由于构件的几何特征、热积累、应力集中等原因会形成不同程度几何缺陷，程度较轻的可能引起变形，造成尺寸误差，严重的导致结构不完整，甚至使加工过程失败。 SLM 构件的几何结构缺陷实例 SLM 构件的几何精度会影响到构件的装配和使用性能。有研究发现，不同的扫描方式会对温度场产生重要影响，温度场会影响残余应力分布和构件的几何变形；激光的光斑、功率及扫描速度则会对尺寸精度和表面质量造成影响，提高构件的几何精度会极大地促进SLM技术的工业应用。 7. 粉层不规则 SLM 过程中，粉末的填充质量会影响到粉床的热导率及其对激光的吸收率。粉层填充密度会影响粉床的热导率和熔池的流动，粉层的厚度会影响熔池的稳定性、熔化状态和构件的内部缺陷，粉层表面不规则也会引起构件的质量问题。同时，SLM是一层一层成形的，一个构件要经过多层制造，因此每一层铺粉对构件的质量都非常重要。 铺粉是SLM制造的关键步骤，粉层质量的好坏直接关系到材料对激光的吸收，粉层厚度会影响到熔池的稳定性，粉层过厚会引起欠熔合、气孔等缺陷，粉层过薄会降低制造效率，因此，严格控制铺粉质量对提高 SLM 构件质量有重要意义。 END 缺陷是SLM技术在工业中广泛应用的最大瓶颈之一，为突破这一瓶颈，需深入理解SLM的物理过程，并对缺陷类型及其产生过程进行深入研究。针对各缺陷类型更为详细的研究进展，本文作者给出了更为详细的讲述，可查询上传内容。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.顶刊综述：3D打印金属材料的缺陷种类及其对疲劳性能的影响 2.上海大学用CT给3D打印金属“诊疗”—揭示孔洞缺陷形成机理 3.北理工院士团队：3D打印几何缺陷对点阵结构力学行为的影响 4.中国学者 | 动画揭示激光金属增材制造过程中的熔体流动行为

12月29日，由华中科技大学机械学院张海鸥教授带领团队完成的国家科技重大专项“复杂构件电弧-激光微铸锻铣磨复合制造工艺与装备”在武汉通过综合绩效评价。该项目以张海鸥团队历经二十年研发完成的“铸锻铣一体化金属3D打印技术”为核心，武汉天昱智能制造有限公司作为该技术的产业转化单位牵头此次专项。铸锻铣一体化金属3D打印技术成功突破3D打印不能打印锻件而难以在大型高端锻件中工程应用的世界难题，在2020年被列入限制出口目录，由此可见该技术对于中国乃至全球制造领域的重要性。 针对航空发动机等大型关键复杂构件的制造难度大、合格率低、成本高等技术难题，天昱制造联合武汉重型集团有限公司、华中科技大学、中国科学院工程热物理研究所、武汉华中数控股份有限公司、中国航发南方工业有限公司、中国航发商用航空发动机有限责任公司等六家国内知名院校企业，共同完成技术转化，研制出世界首台最大锻件微铸锻铣同步超短流程制造装备，开创了功能复合单机制造大型复杂锻件的新模式。 课题评价专家组组长、北京北一机床股份有限公司原总工程师刘宇凌认为，作为融合冶金材料制备成形与机械加工于一体的新兴技术，“铸锻铣一体化金属3D打印”是典型的跨行业、多学科交叉技术，代表了未来以产业链短流程化制造为特色的高端装备制造发展方向。“铸锻铣一体化金属3D打印”技术将成破解中国高端装备制造“卡脖”难题的关键。 中钢集团总经理王建认为，该技术有效提升了微铸锻铣磨制造在航空航天、发动机、船舶、核电、高铁、电力能源、汽车制造、工程机械等行业典型件加工制造领域应用的技术成熟度，满足自主知识产权的微铸锻铣磨复合制造技术与国产数控机床、数控系统的深度集成需求，具有广泛应用场景与巨大市场潜力。 “我们也迫切希望能够有更多的中国人参与进来，一起把这项技术推向更大范围的应用，让中国在突破复杂大型零件制造的‘卡脖难题’方面，从先进到领先，并能保持持续领先。”张海鸥认为，此次项目的成功实施，充分验证了“铸锻铣一体化金属3D打印”技术的实用性与领先性。随着相关领域对国产数控复合制造装备的信赖程度不断提升，在即将到来的“十四五”期间，“铸锻铣一体化金属3D打印”技术也必将迎来黄金期。 我国高端装备的快速研发生产，急需大型高端零件整体制造技术。“智能微铸锻铣”方法，以电弧增材与连续等材微锻及热处理同步复合并融合减材铣削新思想，独创紧凑柔性机构，实现了增-等-减材与调质集成制造；提出磁-电-光-力多能场多尺度混态成形模拟方法，揭示超常态应力变形和组织演变规律，建立形性并行设计-制造-测控集成智能系统，创立了中国领先世界的铸锻铣一体化超短流程绿色智能制造新模式与装备。 标志性成果应用于成都铁路局委托的铁路最关键部件2.4米超高强韧辙叉的制造，创制出12级超细等轴晶锻件，冲击韧性达到单一电弧增材成形的3倍以上并超过传统锻件水平；应用于西安航空动力股份有限公司委托的发动机过渡段制造，通过发动机系统实际装机测试，鉴定专家组认为，这种新方法制造零件“强度和塑性等性能及均匀性显著高于自由增材成形，并通过乌克兰标准质量检测和实机考核；美国GE公司测试GH4169高温合金疲劳性能全部超过GE锻件水平且大部分超过其平均值，大幅优于国际著名EOS公司激光成形样件水平，处于世界前列。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.新增！增减材混合增材制造被美禁运，国内也已将其纳入“限制出口目录” 2.增减材混合制造技术大幅提高武器装备生产速度 3.无须高能热源、不需气体保护，能以10倍速度成型的金属3D打印技术 4.欧洲8国21家机构携手推进多材料、多工艺协同金属3D打印

2020年12月，Norsk Titanium公司宣布将向波音在意大利的Grottaglie工厂交付新的787 梦幻客机组件。该工厂的航空结构分部主要制造787客机的机身中段和后段，且专注于航空级钛合金零件的增材制造。此项交付是Norsk不断增长的商业航空结构领域的第三位客户，也意味着Norsk获得了欧盟航空航天公司的第一笔经常性生产订单。 以快速制造、低材料消耗和锻造级强度为航空航天应用提供替代产品 Norsk使用的快速等离子体沉积工艺（RPD）是一种经过FAA认证的OEM合格的增材制造工艺，通过使用钛丝转变为适用于结构和安全关键应用的复杂组件，可为航空航天、国防和商业客户节省大量的交货时间并节省成本。 钛丝、氩气、等离子体电弧和过程控制是RPD工艺的核心因素，可以实现在快速打印的同时达到锻造强度，能够满足航空航天级的应用。Norsk成熟的生产能力可降低成本、减少机加工和材料消耗并缩短交货时间，旗下MERKE IV ™系统是当今商业生产中最快的钛金属打印机，它比基于粉末的增材制造设备快50-100倍，而钛的使用量则比传统锻件少25％-50％。 使用Norsk的快速等离子体沉积（RPD）工艺，Norsk的工程师设计了Ti6Al4V毛坯，将原料需求减少了40％。利用RPD的工业流程，Norsk可以创建接近最终形状的设计，同时保持波音飞机结构应用所需的严格流程控制和材料特性。 安全性通过多家航天机构的承认 2015年，Norsk就获得了欧洲TRL8认证，这是一种评估关键技术元素成熟度的方法，得到了美国国防部、美国宇航局、欧洲宇航局和许多其他航天机构的承认。对于TRL的评估主要检查项目的概念、技术要求、经过验证的技术能力，并根据分值将其评为1到9个等级，其中9级代表技术最成熟。TRL8预示着产品不存在问题，可以提供给世界一流的航空航天与国防制造商进行最终认证和机身集成。 2017年，Norsk对外发布公告称已获得来自波音公司的采购合同，将采用公司的RPD工艺为波音787飞机生产3D打印钛结构件。结构件由波音公司设计，研发过程中与Norsk Titanium公司进行了紧密合作。波音于2016年12月开始适航认证，2017年2月通过认证，成为世界首个获得美国FAA许可的3D打印钛结构件。 2018年，Norsk Titanium通过与全球最大的民用飞机结构件与系统公司Spirit AeroSystems合作，开始为波音787飞机增材制造的钛结构部件进行资格认证。鉴定过程验证了Norsk Titanium的生产和工业化过程，同时整合了Spirit对近净成形零件进行后加工的工作范围。该资质审查旨在验证飞机零件的材料特性和总体要求。 Norsk为波音787设计了4个零部件，其中一个是将机尾厨房地板固定在机身上面并承受结构应力的33厘米长部件。Norsk生产并测试了大约两吨材料来获得787零件的认证。除了制造测试材料本身的成本之外，还包括2000个单独样件，这部分成本就达到了70万美元。对于认证来说，测试并不困难，只是耗时而且花费巨大。 截至2019年，Norsk已完成相关认证工作，而此前Norsk每个月已能够为10架波音787飞机生产四个零件，这基本实现了批量化制造。 减少材料消耗、降低制造成本的绝佳选择 据介绍，飞机上典型的2kg钛合金部件必须从30kg的块体上切割下来，产生28kg的废料。而Norsk 3D打印相同部件仅需要6kg的钛丝，这为每架波音787节省了200到300万美元的成本。 Norsk客户计划总监Karl Fossum介绍，“此次交付标志着787增材制造零件的大量增加，而这些零件此前只能由钛板制造。这也是朝着我们的使命迈出的重要一步，为航空航天应用提供钛锻件的替代产品。” 波音787存在的一个重要问题就是超重，为了减轻重量、提高效率，从设计和材料方面入手是最直接有效的方法。钛合金因强度高、质量轻而被大量使用，一架波音787的用钛量达到了136t，占全机质量的15%。然而这种材料不仅难加工而且非常昂贵，它的价格是铝合金的7倍，在每架2.65亿美元的787中，钛合金部件的制造成本达到了1700万美元。高昂的成本如何平衡超重的代价是波音公司不得不面对的问题。 飞机制造中必须按照成品零件的体积购买相应的材料量，材料利用率极低，原材料与最终产品的利用率比值达到10-20:1，这在航空业上被称为Buy-to-fly ratio。对于钛合金来说，传统制造方式的成本代价过于高昂，而增材制造则以极小的材料浪费将大型零件的制造从高昂成本中解脱出来，成为航空航天业的绝佳选择。 注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.民航领域可用3D打印材料、工艺和案例，及民航专家的适航认证启示 2.两吨材料，数年时间，百万美元，3D打印如何为787客机完成认证工作 3.国内外采用3D打印直接制造飞机起落架的技术和材料 4.金属3D打印翻新涡轮叶片数量突破1000万

永年激光改革创新攻难关勇闯3D打印新天地企业发展Company introduction 即将过去的2020年是极不平凡的一年，在新冠肺炎疫情冲击下，全球经济社会的不确定性、不稳定性增加，给我国经济社会带来了巨大冲击。面对危机，永年公司全体员工在原清华大学教授颜永年为领军人物的带领下，不怕脚下艰难，只为心中梦想，向上突破挑战，向下接地气，顶天立地，攻坚克难，勇攀科技高峰，勇闯3D打印新天地。 向上突破挑战，首创超大型激光3D金属打印SLM设备 增材制造（也称为3D打印）技术集物理、化学、光学、机电、材料、控制、信息等多学科于一体，已列入国家战略性新兴产业。过去30年全球3D打印市场年平均增长率30%，2019年总收入达到120亿美元。在全球产值超过10亿美元的制造企业100%有3D打印技术部门和3D打印技术应用。如波音在美国建立20多个3D打印中心或工厂，2017年首个3D打印零件获得FAA取证，超过600000个3D打印零件在民用航空器上服役。GE公司采用3D金属打印技术制造LEAP发动机燃料喷嘴和GE9X发动机的涡轮叶片等7大类304个零件，布局新一代航空发动机制高点。近年来，3D打印发展迅速，在航空航天等高精尖领域不断开拓创新，将传统加工与智能化技术融为一体，将会为这些行业带来深远影响和重大变革。 轻量化结构，特别是大型轻量化结构是航天、航空、轻量化汽车、轻量化高铁的重要需求之一，随着航空航天等领域的急速发展，大型化及超大型化SLM工艺发展提到了日程，现行SLM工艺的不足日益显现。大型和超大型的SLM设备不是小型设备的简单尺寸放大，面临的技术难关很多，比如：多激光束协同描扫，拼接和协同难度增大；风场控制、过滤、送粉、清粉等难度均增大；随成形高度的增加，重型活塞纵向寸动（如负荷达10 吨，20~80μm精确位移，重复4万次），难度很大。尤其是所需研发资金巨大，在国内外也是重大技术挑战，因此，研发风险极大。 高科技和重大技术装备是买不来、讨不来，等不来的。不创新发展是等死，创新失败是找死。面对挑战，全体永年人坚定信心、锐意改革创新，以严谨的科学作风，发挥团队精神，克服无数困难，熬过无数夜晚，一串串数据、一项项改进、一次次突破，终于在世界上首先研发成功——扫描面积达1000mm，4激光器、3工位、超大型、高精度SLM先进设备，并且成功中标国内重大技术装备，合同单台标的达2000万元。充分彰显永年激光积极面向经济主战场，主动对接国家重大技术需求，突出“硬核”科技，勇于攻坚克难，实现在逆境中突破和反转。 YLM-1000设备聚焦航空发动机等高端制造领域的重大需求，满足航空发动机、火箭发动机、医疗器械、燃料电池等复杂功能结构件成形制造的需要，为国内首台生产型超大扫描面积的增材制造SLM工艺之设备，在国内增材制造领域具有重大意义和引领作用。 1、多激光束4~16束（4激光束高功率1000~5000W）、3工位（成形和清粉分离）、协同扫描和精准配合，实现300小时连续作业，提高成形速度。 2、超大型激光熔化成形能力(Φ1000*800mm³)是制造航空发动机、燃气轮机、卫星、火箭等关键零部件的重要利器。 3、自主研发的高精度、重载10吨的垂直驱动系统，每次垂直向下位移的距离为20~80μm，精度5μm（0.005mm），重复2万次不得有累积误差。 向下接地气，工于心、匠于行，首创抬升式桌面型3D金属打印机 我国各工业、科研和教学领域急需桌面型的大成形体积、可变粉体、高精度的3D金属打印设备。所谓3D金属打印桌面机，是指设计精巧，结构紧凑、可变成形粉体、精度好、成形效率高而具有足够大的扫描成形空间大的微小型设备。其设计和制造难度高，须有长期从事3D金属打印设备生产和使用经验的团队来完成。 然而目前，国内外的桌面型和小型金属成形机，或成形体积太小（50x50x50mm3）、或机器体积太大、或成形粉体不可变，或精度有待提高。江苏永年激光成形技术有限公司在近10年选区激光熔化（SLM）开发经验的基础上，采用该公司的多项国家专利，完成桌面型金属成形机的开发。 新型桌面机由成形主机、过滤器、控制柜和冷水机组成，见图1。 图1YLM-160机桌面系统图 桌面型3D金属打印设备绝不是低端产品的代名词，采用本公司的国家发明专利“型-形技术”，即M/S——Model/Shape技术,完成从SLM到SLM-M/S的技术提升，经过大量的卓越的开发工作，顺利完成我国第一个超大成形粉体的金属桌面机的生产。 首台（套）抬升式桌面型3D金属打印机，摒弃传统的SLM设备的成形缸系统，节约金属粉末，有效地降低用户的使用成本，可广泛地应用教学、科研和工业等各个领域。 工业领域：注塑模和吹塑模小型插件等，工业用金属结构件，其成形空间应远远大于50mm立方，应达到160x160x200mm3的水平； 医疗器械：体内外假肢和关节、齿科义齿等； 科研领域：材料研究需小型可变粉体的3D金属打印设备，以节省宝贵的测试金属粉末；由于实验室面积的限制，研究领域更倾向小型机或桌面机； 教学领域：高等学校的实训、技师和技工培训和竞技大赛等对桌面机的需求是很迫切的。