钛合金粉末以生产具有优异机械性能的零件而闻名，是当前价值最高、应用最广泛的3D打印金属材料之一，尤以Ti6Al4V最为知名，但在特定情况下最好能够有更多的选择。在3D打印技术参考往期文章中，介绍了能够具有代替Ti6Al4V的两种3D打印钛合金材料：Ti-5553和Ti-38644。本期将讨论的另一种适合高性能和高温应用的钛合金——Ti-6242（Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si），对应我国钛合金牌号TA19，该材料正在被GE Additive重点开发相关应用。 Ti-6242有何特别之处？能满足哪些要求？ Ti-6242具有重量轻和耐高温的特性，是一种传统技术难以生产的材料。GE Additive旗下粉末制造公司AP&C专注于反应性材料生产，尤其是钛粉，并且在粉末的制造和如何控制制造过程以生产高质量零件方面拥有行业领先的深入知识。通过控制粉末中的氧含量，生产高质量粉末，对于增材制造应用至关重要。 对于航空航天、军事、核工业以及赛车运动，是性能比成本更重要的受高度监管的行业。作为一种活性合金，Ti-6242与其他钛合金的主要区别在于该材料的机械性能能够满足高温和抗蠕变应用。 Ti-6242具有高机械强度、可焊性、高温稳定性和高达500-550°C的抗蠕变性。其他常见的钛合金，尤其是Ti6Al4V，工作温度通常为350°C，因此Ti-6242能够在更高温度下工作。 AP&C开发的Ti-6242粉末 AP&C开发的不同粒度范围的Ti-6242粉末 意大利3D打印服务商BEAMIT的研究也表明，通过L-PBF生产的Ti-6242在室温下屈服强度约为1000MPa，在550°C下仍保持在600MPa以上，这些性能与采用锻造技术生产的Ti-6242和IMI834（高温下性能最高的钛合金之一）相当。4.5g/cm3的密度使其同时兼具强度-重量比优势，Ti-6242成为所有需要良好机械强度和轻量化应用的有吸引力的解决方案。因此，Ti-6242是一种有效的钢和镍基高温合金的替代品。 GE Additive 3D打印的Ti-6242测试样 GE Additive 3D打印的Ti-6242主要性能参数 以上性能满足了受高度管制行业的某些客户的要求，例如商业和军事航空航天以及核能行业，这些行业的零件需要在极端环境下工作（如发动机），它们的功能对整体性能至关重要。当其他钛合金不适用时，Ti-6242提供了一种解决方案。 同时，Ti-6242是第一种获得AMS（美国宇航材料）规范的钛合金，专门用于增材制造应用，这一事实证明了工业界的兴趣。Ti-6242与具有相同粒度分布的其他钛合金相比，它具有更高的抗氧化性，使用的安全性更高，处理和加工更容易。 Ti-6242适用于哪些高温应用？ Ti-6242适用于制造对高温稳定性至关重要的轻量化部件，例如航空航天工业中的涡轮机部件、加力燃烧室结构、高压压缩机叶片和机身热端。一些冷端区域只需使用具有低温性能的钛合金，而热端区域将受益于Ti-6242提供的高温稳定性。 这些应用中的主要考虑因素是不同的应用需要不同的材料，因此根据工作温度需求选择合适的材料至关重要。 Ti-6242也是一种极具潜力的空间应用材料，其温度范围覆盖低温至500°C，在这些极端情况下，Ti-6242可以应对不同的温度变化。 航空航天面临的挑战总是试图在最高温度下以尽可能低的重量获得最高的机械性能。在温度较高的区域，通常使用镍高温合金，但这些合金的密度是Ti-6242的两倍。因此，改用Ti-6242可以减轻航空航天行业发动机的重量，同时仍能满足温度要求。这些特点同时适用于赛车行业应用，Ti-6242提供的轻量化有助于提高这些行业发动机的性能和燃油效率。 航空发动机的主要材料组成 但Ti-6242的3D打印具有挑战性，因为它容易因残余应力而开裂。3D打印的Ti-6242满足适合高速旋转的发动机中高温区设计，材料的疲劳特性至关重要。高度球形的粉末，将提高可加工性并有助于保持打印过程稳定，防止开裂。材料的疲劳特性对缺陷很敏感，在增材制造中减少缺陷的最佳策略之一是控制原材料。 此外，通过循环热处理工艺可以实现3D打印Ti-6242机械性能的调控。新加坡制造技术研究院毕贵军博士团队已将该研究发表于Advanced Power Materials，文章题目：Effect of cyclic heat treatment on the microstructure and mechanical properties of laser aided additive manufacturing Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo alloy。 毕贵军博士团队3D打印的Ti-6242合金的室温拉伸性能：（a）工程应力、工程应力曲线；（b）室温拉伸性能柱状图；（c）加工硬化曲线 该研究提出并验证了循环热处理工艺在激光辅助增材制造近α钛合金Ti-6242中制备球状α相的方法；阐明了α与β相之间的元素扩散是激光辅助增材制造Ti-6242合金中球状α相产生的驱动力；通过球状α相的生成调控了激光辅助增材制造Ti-6242合金的强度和伸长率，使其达到了锻件标准AMS 4919J要求 (屈服强度≥827 MPa，延伸率≥10%)。 END 航空航天领域的3D打印钛材料开发正在取得重大进展，Ti-6242是一种高性能材料，结合了高温稳定性和轻质特性，非常适合航空航天、军事和空间应用。 虽然钛合金加工时的切削力只是略高于同等硬度的钢，但是加工钛合金的物理现象比加工钢要复杂的多，从而使钛合金加工面临巨大的困难。在传统工艺加工存在较大困难的情况下，3D打印提供了一种有效的加工方式。 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.可替代Ti6Al4V | 航空航天结构应用和增材制造工艺的极佳候选材料 2.Science重磅：一种非常规的3D打印策略，创建超级钛合金结构 3.铝和钛：航空航天增材制造的绝佳选择 4.北航Science: 3D打印抗疲劳高性能材料—镍钛合金

2014年，一件3D打印的空客A350 XWB支架连接器因彻底改变了飞机构件的制造方式和民用飞机的“轻量化”途径，从而入选“德国工业创新奖”。这个用于固定飞机机翼和发动机的部件因具有复杂的几何结构而无法采用传统工艺制造，但3D打印这种新的制造工艺却将其塑造为现实。这种跨行业的开发形式不仅获得了卓越的质量，更具有经济价值，从而促进性了它的批量化应用。 空客公司表示，通过整合这些零件的生产流程，3D打印使其对供应链的控制力更强。同时，在中等制造数量下，金属3D打印比传统工艺更具成本效益，且大大缩短了交货时间。在需求可能不可预测的行业中，这是一个重要的权衡因素。 这个相对较为复杂的支架，过去采用铝合金铣削制成，在加工时会产生大量浪费。而采用钛合金3D打印，结构的优化使其重量减轻了30%以上。在飞机制造过程中使用金属3D打印的重要依据是该技术实现了几何自由并能够减轻重量。“轻量化结构”能够帮助航空公司更经济地运营飞机。新的飞机设计需要数千个飞行测试安装支架，这些支架的生产单位数量非常少，而增材制造技术则允许设计师尝试新的结构。 3D打印带来的优势还包括生产中工具成本的降低，由于在3D打印过程中不需要工具，因此现在可以在早期阶段以较高的效率批量生产这些零件。以前需要6个月时间来开发一个组件，而采用3D打印之后时间缩短到了1个月。 基于以上优势，空客多年来一直在飞机设计和制造过程中采用3D打印技术，无论是Concept Laser、EOS还是西亚基都是空客的合作伙伴。多年过去，3D打印工艺和材料科学获得了进一步发展，“轻量化”和“仿生学”也指向了一个新的趋势。空客正在研究3D打印复合材料支架制造代替钛合金的可能性。一架商用飞机每减轻一公斤重量，就可以在其使用寿命期间减少25吨CO2排放，复合材料在性能可靠的情况下无疑会进一步推动轻量化的发展。 近日，先进制造商Arris Composites透露了与空客公司合作的一项研究，该项目专注于机舱支架的生产，并希望通过利用创新的制造方法和材料（包括复合材料）来实现航空碳排放量的显著减少。 据Arris称，将220克的金属支架进行拓扑优化后采用连续纤维复合材料3D打印可以使零件重量减轻75%到50克。由于每架飞机会配备500个这种支架，如果一年会制造100架飞机，50000个轻量化的支架在整个生命周期中会节省1.13亿吨的燃油，并减少3.57亿吨的CO2排放。 航空航天领域一直在探索热塑性复合材料的韧性和优势。这些材料开发工作已成为下一代复合材料研究的基础。尽管热塑性塑料具有理想的材料特性，但有限的制造能力限制了它们的使用。Arris Composites公司开发了一种称为Additive Molding的技术，通过在热塑性树脂中精确排列连续纤维，获得了具有无与伦比机械性能的下一代复合材料及成熟的大批量成型方法，这些产品具有高度集成性，所制造的产品比金属更坚固、更轻。 Arris Composites声称，金属替代的新时代已经到来，机加工、3D 打印、金属铸造、金属注射成型和金属包覆成型的产品可以被卓越的复合设计替代。连续纤维+热塑性塑料复合制造实现了高强度和轻量化零件的批量生产，通过这种新工艺，可以以与塑料成型产品相同的速度生产高级碳纤维材料，而碳纤维零部件替换钛材料，可使重量减轻78%。 空客公司创新经理巴斯蒂安·谢弗表示，“空客正在朝着使航空旅行更清洁、更可持续的方向迈进，要实现这一转变，需要探索具有重大影响和实际应用的颠覆性创新。我们设计和制造飞机的方式正在发生变化，像Arris这样的新兴技术公司能够帮助我们实现对更好航空旅行的愿景。我们知道仿生学、拓扑优化和先进复合材料是未来，Arris正在帮助我们将这些设计和材料理想结合起来，以实现更好的飞行未来。” 此外，Arris Composites指出，其增材成型技术结合了增材制造和高速压缩成型工艺，将对更换零件和未来的飞机结构产生巨大影响，因此减少碳排放是可能的。空客本身致力于探索这样的技术途径，以支持其实现更可持续的航空旅行的愿景。 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.比钢强10倍，比铝高8倍|可用于航空航天结构件的3D打印连续纤维复合材料 2.超越PEEK，3D打印的碳纤维增强尼龙有怎样的性能和应用潜力 3.Raise3D将以9.9万和2.9万的价格发售桌面金属和碳纤维3D打印机 4.美空军研究室大力开发连续复合材料3D打印，并用于无人机机翼成型

当前，国际汽联新批准了两种可用于2021赛季3D打印的高性能铝合金：A6061-RAM1和A2024-RAM2。这两种材料都具有较高的比强度，可以为汽车节省更多重量。同时还批准了其他几种3D打印金属材料，包括Inconel 625、钴铬合金以及其他牌号的钛合金和钢材料。 截至目前，被国际汽联批准的3D打印金属材料包括：• 铝合金：AlSi10Mg，AlSi7Mg，Al Cl-30AL • 颗粒增强铝合金：A20X，2024-RAM2、6061-RAM2 • 铝镁合金：Scalmalloy • 钛合金：1级，2级，Ti6Al4V，Ti5553，Ti6242。 • 钢合金：316，304，MS1，15-5PH，17-4PH，300M，4140。 • 高温合金：Inconel 625，Inconel 718，钴铬合金。 • 不含铍的铜合金。 关于3D打印高强铝合金的种类，可以查看《当前国内外3D打印高强铝合金种类、性能信息汇总》；关于钛合金Ti5553、Ti6242，可以查看《可替代Ti6Al4V | 航空航天结构应用和增材制造工艺的极佳候选材料》；关于铝合金3D打印存在的问题，可查看《铝合金在增材制造应用过程中的主要局限性和缺陷类型》。其他材料问题，查看延伸阅读。 无法忽视3D打印技术的细分领域 一级方程式赛车是国际汽车联合会 (FIA) 认可的最高级别的赛车，这意味着 F1 赛车是世界上最快的公路赛道赛车，能够达到 370 公里/小时（230 英里/小时）。要让汽车跑得这么快，需要大量的工程设计，每个F1车队都使用尖端技术来保持竞争力，3D打印是其中的关键技术之一。 轻巧且符合空气动力学，是达到保证速度的重要因素，这是3D 打印技术最为擅长的两件事。工程师在火箭和战斗机上采用 3D 打印的原因与 F1 团队使用该技术的原因相同：减轻重量和设计自由。不仅外部零件需要符合要求以减少阻力，而且 F1 赛车对于它能实现的马力来说显得体型非常小，因此所有内部零件都必须占用尽可能小的空间。许多组件必须相互嵌套，并且必须设计为能够适合任何可用空间，因此没有比 3D 打印更好的方法来制造此类零件。 阿尔法·罗密欧 此外，F1车队基本上每年都会制造新车。每年重新制造同一辆车已经非常困难，而且这涉及到研发改进、测试、检查和练习时间。很明显，如果车队不依赖3D打印个性化、快速无模制造的特点，将难以实现生产零件的迭代。 在2020赛季，阿尔法罗密欧车队“C39”配备了143个3D打印零件，分别为58件钛合金、19件高性能铝合金以及66件普通铝合金，类型涵盖底盘插件、冷却回路管道、安全结构、轻型整流罩以及其他车身零件等。使用3D打印生产这些零件将汽车的重量减少了至少2％，这对F1赛车的性能而言意义重大。 阿尔法·罗密欧C39和C41上的3D打印材料和零件数量  为进一步提升赛车性能，阿尔法•罗密欧进一步增加了2021赛季新款赛车C41中3D打印零件使用量，达到304个。其中AlSi10Mg、Scalmalloy超级合金、Ti64和不锈钢零件的比例分别为40％、36％、22％和2％，这些不同材料的零件分布在赛车中的不同位置，使得C41上面的3D打印零件的总重达到14860g，相比C39的13140g稍重。  3D打印的赛车管道盖（图片来源：阿尔法罗密欧赛车） 汽车制造商已经越来越多地将拓扑优化和衍生式设计作为开发具有最终用途应用的3D可打印部件的一种手段。 2021赛季纳斯卡杯赛，STEWART-HAAS赛车也采用3D打印减轻重量、提高性能。Stewart-Haas与Autodesk合作，成功使用Fusion 360衍生式设计软件，使制动踏板重量减轻了32%，同时提高了刚度和整体安全性。通过雷尼绍RenAM 500Q系统3D打印，改进后的踏板已安装在Cole Custer的 750 bhp福特野马上。 在去年，Fraunhofer IAPT与菲亚特合作，将其一辆跑车的12个部件整合到一个3D打印的悬架部件中，重量比原始部件减轻了36%。  Stewart-Haas与Autodesk合作3D打印的制动踏板 菲亚特将跑车的12个部件整合到一个3D打印的悬架部件中 保时捷3D打印的铝合金活塞 同样的，保时捷还与通快和马勒合作，为其旗舰911超级跑车3D打印了升级后的发动机活塞。使用AI主导的设计方法，制造商已经能够将冷却管道集成到实验活塞的“冠部”中，一旦安装，就可以有效地为车辆发动机增加30马力。  在刹车制动方面，过去几年已经有几家汽车公司考虑采用3D打印制造相关部件。2019年7月，英国公司Carbon Performance使用其专有的平台，3D打印了刹车卡钳；此后不久，布加迪成功对其3D打印的制动卡钳进行了成功演示。 END 从国际汽联公布的3D打印金属材料清单可以看出，有很多材料并不是当前主流使用的3D打印材料，很多属于并未得到充分验证的新开发材料。因此也可以看出该领域对3D打印技术以及新材料的需求程度。如文中指出，航空航天和汽车领域对3D打印技术具有共同的需求，复杂零件制造、轻量化、小批量快速生产。当一个领域深刻认识到这项技术的特点，你会认为，3D打印技术，真香。 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.从143到304，多材料3D打印为汽（赛）车提速、增效、降本 2.布加迪3D打印再创新高，小身躯，大力量 3.福特公司看重铝合金粘结剂喷射3D打印 4.从实验室走向生产线，3D打印的未来就是汽车轻量化的未来

近日，Desktop Metal宣布Ti64钛合金已适用于其桌面金属3D打印系统，可为客户提供最简单的方法来打印小批量高性能金属零件以进行预生产和最终用途应用。随着Ti64在下个月开始发货，Desktop Metal将成为第一家将钛合金商业化用于挤出式金属3D打印的公司。 钛合金桌面金属3D打印的难点 采用基于挤出的桌面金属3D打印工艺处理钛合金一直存在挑战，这种材料的粉末形式具有极强的反应性且难以烧结。3D打印技术参考通过升华三维了解到，钛合金的打印和烧结过程对氧含量很敏感，如果过程控制不好，便难以实现零件致密化以及好的延伸率；设备稳定性、温度均匀性都是考量指标。 Desktop Metal指出，由其第二代桌面金属3D打印系统Studio System2生产的Ti64具有卓越的机械性能，拉伸强度、屈服强度以及断后伸长率分别达到730Mpa、845MPa和17%。这些数据超过了ASTM F2885-17为金属注射成型外科植入物应用设定的标准。 桌面金属3D打印的Ti64拉伸曲线 桌面金属3D打印的Ti64微观组织 桌面金属3D打印的Ti64性能与MIM工艺和行业标准对比 使用桌面金属3D打印系统来打印Ti64钛合金来开发应用，具有比使用传统粉末床熔融（SLM/EBM）3D打印设备更低的使用成本和运营成本。Desktop Metal自推出桌面金属3D打印机以来，已被福特、宝马、伊顿、谷歌、3M、史丹利、洛克希德马丁以及世界领先的教育机构，如麻省理工学院(MIT)、米兰理工大学等30多个国家的数百家客户采用。 钛合金桌面金属3D打印的应用案例 • 机器支架 该支架使用晶格填充和钛合金打印代替17-4PH不锈钢，能够减轻重量并减少材料的使用量，同时可以保持所需的功能强度和刚度。由于结构的复杂性，传统制造工艺不可能完成生产，使用Ti64在Studio System2上3D打印这种新设计将零件重量减轻了59%。 桌面金属3D打印的Ti64机器支架 •望远镜对焦环 小型望远镜聚焦环将镜头固定在移动望远镜上，该望远镜具有多个用于定位和聚焦镜头的电机。采用Ti64 3D打印的对焦环可确保所有组件具有极轻的重量，从而可以使用更小的电机，减少组件的磨损和组装的总成本。通常，该部件需要小批量生产，因此需要购买昂贵的工具或定制夹具。Studio System 2则在不到24小时内打印了多达六个对焦环，并可以在几天内完成后续处理实现安装。 •无人机联轴器 无人机面临的主要挑战之一是电池寿命，这主要取决于无人机的重量。用钛合金制造的联轴器可以显著减轻重量，同时保持无人机框架所需的结构刚度。Studio System 2支持每周实现15到25个零件的小批量生产，然后再将其投入批量生产，所有这些过程都不需要任何工具或机加工。 桌面金属3D打印的Ti64零件 •喷油嘴 燃料喷射器喷嘴对于航空航天工业的安全和可靠运行至关重要，它们负责将燃料驱动到燃烧器中进行推进。该部件包含内部通道，可提高燃烧器的性能，但无法使用传统工艺制造。钛合金是该应用的重要材料，因为喷嘴需要能够承受极端温度和压力，同时保持轻量化。使用Studio System 2，工程师可以在短短几天内测试喷嘴的多种设计变化，并在不到24小时内打印多达四个版本的喷嘴。 第二代桌面金属3D打印系统及其材料 第二代 Studio System 2 保留了上一代打印机的所有关键功能，同时采用了全新材料配方，其中的关键在于，以前的材料中包含了蜡、树脂以及金属粉末，采用的是脱脂方法是溶剂脱脂。溶剂脱脂在所属的行业中实际上是上一代工艺，脱脂时间长，不仅拉长了整个产品生产周期，还制约着可生产产品的壁厚或者尺寸，使得基于该工艺的技术只适合成形尺寸小、壁薄且厚度均匀的零部件。而脱脂工艺的不同，依赖于3D打印线材中的粘结剂成分。 关于脱脂问题，点击《焦点关注：第二代桌面金属3D打印解决方案》 Desktop Metal指出，其优化后的材料配方无需使用溶剂处理，打印完成可直接送入烧结炉进行处理，实现了脱脂烧结一步完成。因此，这套系统只包含打印机以及烧结炉。Desktop Metal对该产品鼓吹的重点一直都是适合办公室使用的增材制造系统，此类工艺确实避免了对粉末和激光的暴露风险。新设备还升级了文件处理功能，以实现零件在烧结过程中更均匀的收缩，并提高成功率；同时有助于提高零件侧面以及支撑面的表面质量。 DesktopMetalStudio System系统开发的应用 棒材在打印头内传输示意图 采用桌面金属3D打印机制造的零件，经脱脂烧结后具有与铸件相似的机械性能，并达到或超过了相关行业标准。Desktop Metal的Studio System系统除可打印Ti64钛合金之外，还支持打印316L及17-4PH不锈钢、4140低合金钢、H13工具钢以及铜合金。 END Ti64钛合金基于桌面金属3D打印仍充满挑战。业内知名的早期设备制造商Markforged、后旗之秀Raise3D等至今未推出该材料，BASF也仅有316L不锈钢线材；而据3D打印技术参考了解，针对于钛合金桌面金属3D打印，国内升华三维已经取得了一定进展。 欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.焦点关注：上海复志将推全球第二代桌面金属3D打印解决方案 2.纯铜3D打印工艺的发展：从SLM、3DP、FDM到DLP 3.基于烧结工艺的FDM和粘结剂喷射金属3D打印的工作原理 4.工艺创新：将FDM 3D打印技术的潜力开发到极致

根据公开信息，我国采用3D打印技术制备的星敏支架、斜撑支架、主承力大底结构等产品，已通过地面测试和各项环境考核，逐步应用于空间站、深空探测航天器、运载火箭等。晶格桁架结构，因其超轻和多功能特性在航空航天领域备受青睐。 然而，通过3D打印技术制造的晶格单元在机械设计过程中很少考虑增材制造技术本身的约束，导致晶格结构的实际机械性能与设计性能之间存在显著差异。中国空间技术研究院、南京航空航天大学以及北京理工大学方岱宁院士团队合作开展了考虑增材制造几何约束的自支撑晶格单元创新设计策略研究，相关成果成功用于我国多个新型超轻航天器结构设计与制造。 受固体物理学中晶体学的多重旋转对称性的启发，研究人员设计了三类用于3D打印的自支撑晶格，分别具有三、四和六重旋转对称性。每类晶格都可以分为四个层次级别，使结构从以弯曲为主逐步变为以拉伸为主。使用节点位移法推导出自支撑晶格的弹性本构关系，并通过与有限元计算和力学实验的对比，验证了本构关系。这项工作提供了由自支撑晶格组成的复杂结构设计中刚度特性的等效关系，该结构已用于新型超轻型航天器结构的设计，包括： • 2019年发射的千乘一号01星中的格构夹芯板组成的卫星结构； • 2019年发射的中巴地球资源卫星04A星中的拓扑优化薄壁结构和晶格填充动量轮支架； • 月球及火星深空探测器的相变热控制器以及集热器框架由薄壁和晶格填充结构组成。 基于本文提出的自支撑晶格和铝合金打印的航天器结构应用：(a) 由格构夹芯板组成的卫星主体结构 (b) 由拓扑优化的薄壁和晶格填充组成的动量轮支架(c) 由薄壁和晶格填充组成的相变热控制器结构(d) 由薄壁和晶格填充组成的集热器框架结构自支撑晶格结构的制造约束与设计本文所述的晶格结构的3D打印均是采用激光粉末床熔融（SLM），该工艺的几何约束主要表现为封闭空腔、间隙、薄壁、悬垂以及最小/最大尺寸等，其中只有悬垂角影响晶格结构的参数。根据研究，结构的尺寸误差和表面粗糙度随着结构与水平方向之间的角度减小而增大。对于小于35 ◦结构，需要添加支撑防止坍塌或严重变形。如果支撑结构在零件外部，则容易去除；如果在零件内部，则难以去除。为了实现高精度设计并避免在制造过程添加支撑，自支撑杆外伸角度需要大于35◦。为此，研究人员在自支撑格架的设计中考虑了悬臂角约束。与传统的任意角度支杆构成的格架不同，自支撑晶格除了水平支杆外，还包括倾斜支杆和垂直支杆。 晶格晶胞被定义为具有晶体结构完全对称性的最小重复单元。研究人员采用三重、四重和六重旋转对称操作来设计用于3D打印的自支撑晶格单元。第一层级单元仅由倾斜方向的支柱组成，然后通过相对于水平面镜像结构来获得具有旋转对称性和镜像对称性的第一层级晶格单元；最后，通过在空间中重复可以获得三种晶格结构。 具有三重、四重和六重旋转对称性的第一层级晶格单元设计 通过在第一层级晶胞边缘添加垂直支柱形成第二层级设计，每个晶格单元形成了三个、四个或六个三角形，三角形充当第二层级的稳定子结构，这种设计可以提高晶格的结构属性，降低机械属性。 在第二层级点阵的侧面增加一个方向的斜杆就形成了第三层级的点阵，每个斜支柱构成一个新的三角形，其中有两个斜支柱连接晶格单元的中心。三级晶格的变形是拉伸主导变形，第三层级格子的承载效率可以超过第二和第一层级。 具有三、四和六重旋转对称性的第二、第三和第四层级晶格单元的设计 在第三层级基础上再增加一个方向的斜杆形成第四层级格子结构，第四级晶格表现出更好的抵抗晶格缺陷的能力。 基于以上设计，共形成了12种自支撑晶格材料结构设计，通过复制填充到空间中。这些设计对于专业外的读者稍显晦涩，需要将3D打印技术参考的表述和原文对比，仔细甄别。 具有三重、四重和六重旋转对称晶格的12种设计 数值分析与试验验证研究人员使用ABAQUS 2017软件进行了有限元分析以验证弹性变形-本构关系，计算了十二种类型的晶格，并与SLM制造的实际结构的机械性能进行了对比。 3D打印的自支撑格层结构为5层，晶格支柱的直径与板层厚度均为0.6mm，倾斜支柱与水平方向之间的角度为45°，材料选择AlSi10Mg粉末，打印完成之后在280°C 下进行2 小时的热处理，以减少结构内部的残余应力。 由 SLM 制造的自支撑格层试样 建立与晶格夹层试样相同尺寸的等效有限元模型，将实验结果与弹性变形-本构关系进行比较。每个模型由三层组成，即上层、下层和等效连续体层，刚度由本构关系得到。下层被夹紧，同时限制上层旋转，并在压缩方向上施加单位位移。 研究发现，理论和实验结果之间的误差在-7.2% 和 8% 之间，这可能与制造尺寸误差以及面板引起的边界效应有关。在亚毫米尺度上，格子撑杆直径的变化可以达到±10%，即格子撑杆的实际直径为设计值的90%～110%。那么，格子撑杆的实际截面积为设计值的81%~121%。根据弹性模量、力和支柱截面积的尺寸关系，3D打印晶格的实际弹性模量在设计值的82%~123%之间，即误差在-18%~23%之间。本作品中显示的误差在范围内，因此是合理的。 通过实验和等效计算得到压缩模量 END 研究人员基于固体物理学中晶体学的多重旋转对称性，提出了一种考虑增材制造几何约束的自支撑晶格的创新设计策略，并成功在航天器结构中获得应用。 另据媒体报道，超轻型金属晶格结构解决了深空探测器复杂结构的轻量化设计，实现了极其复杂结构的功能集成。而当前我国的深空探测器，无疑是指“嫦娥”系列和火星探测器。这种外部蒙皮+内部三维点阵、变密度、内部含有流道等特殊复杂的构型，在突破瓶颈、减重/提升性能、缩短周期、降低成本等方面产生了较大的综合效益。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.天问一号变推力发动机等采用3D打印零件，减重、减体积是关键 2.“天问”携“祝融”成功落火，航天五院529厂积极开展3D打印技术的研究与应用 3.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 4.3D打印点阵结构：材料疲劳容限设计与制造的力学性能综述

与所有制造过程一样，最终产品的质量在很大程度上取决于基材的特性和加工技术的精度。对于金属3D打印，尤其是粉末床熔融工艺，即便有很多厂商已经意识到在粉末生产、处理以及打印再到后处理的过程中应当进行气体保护，但对于此方面的研究几乎未受到充分关注。一个关键的问题是，对于采用不同的气体保护，是否会取得不同的结果。 全球最大的工业气体生产商林德集团和医疗领域增材制造的领导者法国3D Medlab公司合作，展开了在特殊气体氛围下，对3D打印钛合金点阵结构生产质量的影响，双方希望以此提高由Ti64制造的医疗产品的质量和生产效率。因为像晶格这样的结构必须稳定、具备所需的所有机械性能，最重要的是能够维持细胞的生长。然而3D打印过程中的烟尘和杂质会导致零件中产生缺陷，即使氧气含量的微小差异也会影响元素的稳定性，从而破坏材料的结构和化学特性。 3D Medlab晶格结构植入物 该研究于2020年1月至2021年3月完成，双方研究了新工艺气体对Ti64晶格结构在激光粉末床熔融(L-PBF)过程中的飞溅形成、工艺稳定性及3D打印零件性能产生的影响。使用光学断层扫描进行的过程监控表明，与单独使用氩气相比，使用氩气-氦气混合气体保护，显著减少了激光熔融过程中的飞溅。研究结果证实，这种氩氦混合气体可将飞溅物的排放量降低35%，显著降低了缺陷的产生风险并提高了零件的整体表面质量。 氩/氦混合气体显著提高了零件的整体表面质量 林德增材制造粉末冶金专家表示：“可靠、可重复的3D打印能力是提高产品质量的关键，这对医疗行业至关重要。此外，从商业角度来看，打印时间是增材制造中重要的单一成本要素，但通过使用恰当的保护气体可以提高薄壁零件的打印速度。林德的新型氩氦混合气体正是为此而开发，是钛合金医疗器械制造领域向前迈出的重要一步。” 3D Medlab增材制造主管表示，孔隙率水平和表面质量是高复杂零件机械性能质量的基本要素，通过确保产品尽可能接近原始设计规格，同时减少可能带入人体的金属粉末，该指标因此成为业内定义增材制造医疗器械质量的首要标准。通过与林德公司的联合研究发现，氦气与氩气的合理平衡，可以对打印质量和生产效率产生重大影响。 有资料指出，打印室内的惰性气体是影响零件质量和整体生产速度的关键因素，该研究的主要目的也是评估理想的气体混合物来优化这两种结果。单独使用氩气时，打印过程会观察到大量飞溅物（或由激光引起的熔融金属颗粒）落至相邻打印部件上。在高度复杂的零件上产生飞溅会影响打印质量，并导致零件螺纹的质量下降。此外，使用纯氩气会产生一定程度的孔隙率。 延伸阅读：「氮/氩」混合气体显著提升工业纯钛3D打印零件的性能 更高的生产效率并不以牺牲质量为代价，根据断层扫描的结果，林德和3D Medlab的研究将孔隙率降低了70%，而点阵结构的压缩性能仍与仅用氩气时相当。除了这两家公司在混合气体方面的研究之外，国内南方科技大学严明教授课题组在多年前研究了氮气与氩气混合气体对商业纯钛和钛合金3D打印零件性能的影响。研究发现，采用氮气与氩气的混合气体作为保护气体，相比于传统工艺中充入氩气作为保护气体，额外的氮元素能够强化钛材料，使材料的力学性能明显更加优异。 在商业纯钛3D打印过程中采用氮、氩混合气体进行保护 严明教授课题组研究数据 通过对同一种工业纯钛的实验研究发现，当氮比重为0.65wt.％时，材料的综合力学性能达到最佳，屈服强度和拉伸强度分别达到807和1037MPa，断裂伸长率为19.15%，与纯Ar打印试样相比，分别提高了49.53%、42.02%和0.78%，显著高于仅采用氩气保护条件下的材料性能。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.南科大：一种将3D打印钛材料价格降低10倍的方法 2.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 3.SLM过程中的缺陷类型、产生原因及其造成的不良影响 4.3D打印点阵结构：材料疲劳容限设计与制造的力学性能综述

采用3D打印制造卫星部件所带来的好处是显而易见的，其不仅仅在于提供了复杂制造的可能性，还提高了制造进度、降低了成本并提高了卫星性能。而如果增材制造企业能够绑定卫星制造商，则无疑获得了重要的发展契机。专注于钛合金3D打印的Zenith Tecnica公司便紧紧把握住了机会，通过与知名卫星制造商Maxar Technologies合作，大力发了其航空航天增材制造业务。截止目前，双方合作已有五年之久，3D打印了260个钛合金零件用于卫星制造。 Maxar制造的全电动EUTELSAT 7C 卫星于 2019 年发射，使用近1000个增材制造组件 2016 年，Zenith获得了生产无人太空飞行部件的资格，其在定义和验证生产过程方面发挥关键作用。同年，Zenith与Maxar展开合作，并在两年后将第一颗含有钛合金3D打印零件的卫星被送入轨道。 Zenith的客户可以针对特定卫星特征和有效载荷优化零件结构和热特性。3D打印实现了以前传统制造方法无法实现的设计，这种优化的结果减少了零件质量以及数量，并提高了在轨寿命。据报道，自从通过Zenith采用3D打印生产航天器部件以来，Maxar受益颇多，包括提高了生产灵活性、降低了制造成本并提高了卫星性能。 Zenith Tecnica 3D 打印的卫星组件 该公司的钛合金使用 GE Additive Arcam EBM设备打印，然后对零件进行热处理，并对关键的装配特征进行加工。之后，需要对零件进行3D 扫描检查，以确保所有零件都符合规格。Maxar增材制造技术经理则表示，Zenith的团队是Maxar团队的延伸，前者总是加倍努力确保交付的零件质量达到高标准。到目前为止，两家公司在合作期间共同发射了五颗带有260个3D打印钛合金零件的航天器，这两家公司还有另外270个3D 打印部件要安装在其他八颗卫星上。 Zenith Tecnica3D 打印的卫星组件 3D 打印已经越来越多地用于生产优化的卫星组件，例如射频电路、波导信号互连和陶瓷天线等。对于3D打印服务商或者研究机构，绑定航空航天客户将是其获得发展的重要途径，尤其是在当前民用市场远远不足以支撑发展的情况下。铂力特，不就是深度绑定了航空航天和军工客户吗？ 但同时，3D打印服务商或研究机构需要具有好的设计和质量保证能力，航空航天用户也愿意一起探索这些新技术和新应用。不过，我们所提到的服务商并非一定是如铂力特这样的行业龙头，研究机构也并非一定是国内顶尖实验室。国内很多航空航天客户和研究机构也在寻找更合适的合作伙伴来满足自身需求，有实力的团队所需要的恰恰是这样一个机会。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.年消耗5.4吨钛合金，成功用于陆、海、空、太空的金属3D打印解决方案 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.新一代载人飞船实验船，实现60余件金属3D打印产品在轨应用 4.可替代Ti6Al4V | 航空航天结构应用和增材制造工艺的极佳候选材料

在天问一号探测器上，航天六院研制交付了着陆巡视器和环绕器的推进分系统，共计48台大大小小的发动机。它们分别为着陆器着陆过程悬停、避障及缓速下降过程提供可靠动力，为环绕器系统提供轨道转移、制动捕获、轨道调整以及姿态控制所需的精准动力。当进入合适的着陆时机，天问一号在3000N发动机作用下，下降到距离火星100km的高度，实现环绕器和着陆器分离。为使着陆巡视器降低运行速度达到着陆要求，作为着陆巡视器主发动机的7500N变推力发动机接续发挥关键作用，为着陆巡视器动力减速、悬停避障和缓速下降等软着陆任务提供轨控推力。祝融号探测器着陆该型发动机是六院研制团队在借鉴探月任务中7500N变推力发动机工程经验基础上，根据火星探测任务全新设计制造的发动机。并且相较之前探月任务中同样推力的7500N发动机，为了满足火星探测器安装结构要求和减重需求，并提升发动机性能，研制团队首次在我国开展深空探测的航天器上将推进分系统发动机燃烧室从以往的低室压方案改进为中室压方案，从而保证了相同推力情况下，发动机体积更小、性能更高。制造过程中，改进型7500N变推力发动机与以往7500N发动机的性能和推力一样，但重量和体积只有以前发动机的三分之一，结构也更加优化、紧凑。发动机的对接法兰框还首次采用3D打印技术，“一次打印成型”避免大余量去除原实心棒材或锻件引起的变形，也保证了发动机与总体对接的质量稳定性。 祝融号火星车 “天问一号”探测器由航天五院抓总研制。在 “天问一号”的研制过程中鑫精合作为增材制造解决方案提供商，采用激光选区熔化成形技术（SLM）制造交付产品 30 余项，激光沉积技术（LDM）制造交付产品 9 项。在减重、特殊功能实现等多个维度解决火星登陆项目研制工艺技术难题。减重、减体积为关键指标——材料和结构是关键在以上报道中，减重、减体积属于关键指标。3D打印在复杂结构制造方面的优势无疑能够帮助这两个指标更容易实现。减重即为轻量化。轻量化的实现途径主要有三大方面：一是材料的优化设计和应用；二是产品结构的优化设计；三是先进制造技术的开发应用。三者相辅相成不仅可以实现最终产品减重，同时也将减少构件体积。轻量化材料就是可以用来减轻产品自重且可以提高产品综合性能的材料。材料轻量化，指的是在满足机械性能要求的前提下，通过采用轻量化的金属和非金属材料实现重量减轻的方法。在当前的轻量化材料中，钢铁仍然保持主导地位，但在天问一号上面使用钢铁减重，这显然不可能。而当前3D打印领域最主要的轻量化材料无非就是铝合金和钛合金，因此，这两类材料很可能被天问一号探测器使用。并且，关于铝合金和钛合金，及其特殊结构的应用已经不乏案例。2018年5月21日，嫦娥四号中继星“鹊桥”在西昌卫星发射中心成功发射，这是航天529厂首次实现3D打印产品的在轨应用。该星上面的斜动量轮支架便是采用铝合金3D打印生产和制造。 动量轮支架打印成品及在中继星上的装配图（来源：altair） 2019年发射的千乘一号整星结构采用面向增材制造的轻量化三维点阵结构设计方法进行设计，并通过铝合金增材制造技术一体化制备；在其他卫星产品上，铝合金点阵和拓扑优化结构产品、钛合金激光送粉3D打印产品、钛合金激光铺粉3D打印产品也已实现在轨应用。2020年，我国新一代载人飞船实验船成功验证。此次试验船搭载了星驰恒动公司研制的60余件金属3D打印产品，涉及三维点阵类轻质材料结构产品、热管理功能类产品、复杂形状直属件产品等多种类型。与此同时，新一代载人飞船直径达4米的超大尺寸整体钛框架也由3D打印工艺制造，成功实现了减轻重量、缩短周期、降低成本等目标。新一代载人飞船试验船的成功返回也标志着超大尺寸关键结构件整体3D打印技术通过大考。 新一代载人飞船试验船返回舱及采用激光沉积3D打印制造的返回舱防热大底框架实物 除此之外，与天问一号当前同在火星的毅力号上面同样也包含3D打印产品，公开报道共有11件，其中5件为钛合金的精密X射线光谱仪外壳。钛合金的高强度质量比使其重量比常规生产的零件少了3到4倍。从以上应用案例不难看出，钛合金和铝合金是当前卫星、探测器3D打印应用的重要材料，而点阵和拓扑优化结构为减重、减体积进一步贡献作用。火星探测器的着陆成功，标志着增材制造技术在航天深空探测领域应用迈出开拓性的重要一步。 这些材料和结构助力“天问一号”成功落火 在天问一号着陆火星的过程中，面临被烧毁或者坠毁的风险。任务能否成功，取决于“天问一号”的结构和采用的材料，对此官媒对此进行了介绍。以下便是为保障探测器顺利着陆和正常工作发挥作用的先进材料和结构（内容来源于《中国航天报》等媒体）： 1. 超轻质的蜂窝增强低密度烧蚀防热材料：应用于火星探测器上气动加热最严重的大底结构及大底拐角部位。 作用：在探测器着陆的阶段，该材料表面与火星大气摩擦并发生复杂的物理化学反应，带走大量的热量；同时该材料还具有良好的保温隔热性能，将热浪排除在探测器之外，有效保护探测器不被烧坏。 研究团队：中国运载火箭技术研究院所属航天材料及工艺研究所。 2. 连续纤维增强中密度防热材料：应用在需要维持探测器整体形状的上下边缘和结构的支撑部位以及背罩防热结构的舱盖、封边环、埋件、螺塞等零部件。 作用：该材料相比低密度材料强度更高，密度为0.9g/cm3，兼顾了耐烧蚀和承载能力。 研究团队：中国运载火箭技术研究院所属航天材料及工艺研究所。 3. 超轻质的烧蚀防热涂层材料：应用在气动加热较为缓和的背景部位。 作用：涂层密度为0.28g/cm3，热导率为0.06W/(m k），隔热性能优良，对着陆器的减重也起到重要作用。 研究团队：中国运载火箭技术研究院所属航天材料及工艺研究所。 4.特种吸能合金：应用于着陆机构。 作用：该合金具有突出的强韧性、轻质性和吸能性，可吸收探测器着陆的冲击能。 研究团队：中国科学院合肥物质科学研究院固物理研究体所。 5. 高性能碳化硅基增强铝基复合材料：应用于探测器高精密仪器。 作用：重量轻、强度高、刚性好、宽温度范围下尺寸稳定，满足“天问一号”长时间运行时对关键机构的材料需求。 研究团队：上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室团队。 6.铝硅封装外壳：应用于探测器着陆系统的TR组件等核心元器件封装解决方案。 作用：保障探测器着陆系统电路的安全，为器件内部电路穿上安全可靠的保护衣，保障探测器在火星的安全平稳着陆。 研究团队：合肥圣达电子科技实业有限公司。 7. 新型铝基碳化硅复合材料：用于火星车结构、机构、仪器等几十种零部件。 作用：火星车要在工况复杂的火星表面长距离行走，这对火星车材料的轻量化、高强韧性、高尺寸稳定性、耐冲击性提出了极高的要求，传统铝、钛合金难以兼顾综合要求，新型铝基碳化硅复合材料可胜任。 研究团队：中国科学院金属研究所团队。 8. 新型镁锂合金：用于探测器结构。 作用：目前世界上最轻的金属结构材料之一，可实现探测器轻量化。 研究团队：西安交通大学团队。 9. 高精尖铝材（蒙皮板、自由锻件、超大规格板、锻环、铝锂合金）：应用于探测器。 作用：保障天问一号火星探测器长期的太空行驶及完成着陆。 研究团队：西南铝业（集团）有限责任公司。 10. 有机热控涂层：航天器外表面及仪器表面。 作用：探测器在进入轨道后，处于地球大气层以外的超高真空空间环境，朝向太阳的部分表面温度非常高，而背向太阳的部分表面温度非常低，导致航天器“冰火两重天”。该材料可以保证探测器能够在极端复杂的温度下保持正常工作，通过调控温度达到热控需求。 研究团队：中国科学院上海有机化学研究所有机热控涂层研制组。 11. 纳米气凝胶：用于火星车。 作用：很轻、隔热性能好，在探测器“落”与“巡”两项任务中发挥作用。 研究团队：中国航天科工三院306所。 12. 聚合物智能复合材料：用于可展开柔性太阳能电池系统。 作用：实现柔性太阳能电池的锁紧、释放和展开，以及展开后高刚度可承载等功能。 研究团队：哈尔滨工业大学团队。 欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.“天问”携“祝融”成功落火，航天五院529厂积极开展3D打印技术的研究与应用 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.关键结构件3D打印技术在新一代载人飞船中的应用 4.从嫦娥四号登月，看航天529厂如何实现3D打印在轨应用

北京时间2021年5月15日8时20分左右，中国首枚火星探测器“天问”一号成功着陆火星北半球的乌托邦平原。 中国航天器首次奔赴火星，“毫发未损”地顺利出现在遥远的红色星球上，完成了人类航天史上的一次壮举，实现了我国首次地外行星着陆。 着陆后，“祝融号”火星车成功传回了遥测信号。 凌晨1时许，天问一号探测器在停泊轨道实施降轨，机动至火星进入轨道。 4时许，着陆巡视器与环绕器分离。历经约3小时飞行后，进入火星大气，经过约9分钟的减速、悬停避障和缓冲，成功软着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区。 从进入火星大气到着陆火星表面是整个火星着陆过程中最为惊险的时刻。我国天问一号任务火星着陆分为气动减速、伞系减速、动力减速、悬停避障与缓速下降四个阶段，历时“惊魂九分钟”。 两器分离约30分钟后，环绕器进行升轨，返回停泊轨道，为着陆巡视器的后续探测任务提供中继通信，搭建起地球和火星之间的通信桥梁。 后续，“祝融号”火星车将依次对着陆点全局成像、自检、驶离着陆平台并开展巡视探测。 祝融号着陆过程 祝融号火星车 我国首次火星探测任务—天问一号任务于2016年正式批复立项，计划通过一次任务实现火星环绕、着陆和巡视探测。 中国航天科技集团公司下属中国空间技术研究院（航天五院）是天问一号探测器的总研制单位，负责执行中国第一次自主火星探测任务。据报道，“天问一号”火星探测器安装使用了超过100个3D打印定制的零部件，其中包含相当一部分的金属3D打印零件（如钛合金等），具有高强度耐高温耐辐射等各种高性能特征，可以满足在火星恶劣环境中正常工作运行的要求。高能离子浮尘、空间碎片，要考虑结构的性能和特点，深空探测器结构包括高刚度、轻量化、尺寸稳定性、拓扑优化等等需求。 天问一号火星探测器标注图（来自微博网友WLR2678，强调非官方，为个人作品） 而根据中国航天科技集团的消息，航天五院529厂针对“嫦娥”系列、火星探测器等新一代轻量化航天器发展需求，积极开展3D打印技术的研究与应用，取得了较好的效果。 “相比于传统铸件或者锻造产品，3D打印的产品研制周期明显缩短，力学性能得到提升。”该厂研究人员介绍道，“不仅可以打印薄壁结构，还可以完成‘外部蒙皮+内部三维点阵’、变密度、内部含有流道等特殊复杂构型，在突破瓶颈、减重/提升性能、缩短周期、降低成本等方面产生较大的综合效益。” 该厂采用3D打印技术制备的星敏支架、斜撑支架、主承力大底结构等产品，如今已经通过了地面测试和各项环境考核，逐步应用于空间站、深空探测航天器、运载火箭。利用3D打印技术，该厂已经完成20多个型号共计500余件产品的交付使用，有力地支撑了型号复杂形状结构产品的快速研制。 天问一号探测器由环绕器和着陆巡视器组成，于2020年7月23日由长征五号运载火箭成功发射，至今已飞行295天，距离地球约3.2亿千米。天问一号任务突破了第二宇宙速度发射、行星际飞行和测控通信、地外行星软着陆等关键技术，是我国航天事业发展史上又一具有重大意义的里程碑事件。 关于天问一号更多3D打印技术应用，请关注后续报道。 欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.2020年中国航天领域3D打印8大应用成就和案例 2.关键结构件3D打印技术在新一代载人飞船中的应用 3.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 4.从嫦娥四号登月，看航天529厂如何实现3D打印在轨应用

3D打印材料是3D打印产业中不可或缺的一部分，3D打印材料技术水平直接影响到3D打印产业的发展。多方因素助力3D打印材料行业发展，我国3D打印材料市场规模不断壮大，在3D打印行业中的比重也水涨船高。由于3D打印在装备制造业中应用较广，金属类3D打印材料的需求也变得越来越大，未来我国3D打印材料行业将逐一解决行业发展痛点，不断向更高质量，更严标准，更多产品的方向发展。本文内容来源于前瞻产业研究院。 3D打印材料产业全景图 3D打印材料是3D打印产业中不可或缺的一部分，3D打印材料技术水平直接影响到3D打印产业的发展。近年来，国家层面对我国3D打印材料行业重视程度不断加深，基本形成了较为成熟的产业链。 3D打印材料上游为基础材料供应以及初加工，例如有色金属行业、橡胶加工行业、塑料加工行业、陶瓷加工行业等，为3D打印材料提供符合标准的原材料。 中游产业为3D打印材料产业链中最重要的一环，通过各种技术手段对原材料进行加工，使其成为符合3D打印标准的3D打印材料，目前主流的3D打印材料有金属粉末材料、光敏树脂材料、光固化树脂材料、生物材料、工程塑料材料以及非金属类材料等等。 下游产业为3D打印制造，随着技术的进步，3D打印制造应用场景越来越广泛，应用在工程机械、航空航天、生物医药、汽车制造等领域。 3D 打印技术最早应用于各类原型的快速制造，故在早期也被称为快速原型技术(Rapid Prototyping，RP)。早期的3D打印技术由于材料种类的限制，大多使用有机高分子材料，其机械、化学性能大多难以满足实际应用的需求。随着材料技术与装备技术的发展，将该技术应用于终端零件制造的愿望越来越迫切，因此不仅对3D打印装备提出了更高的要求，对3D打印材料各项性能的要求也日益提高。 3D打印材料是3D 打印技术重要的物质基础，它的性能在很大程度上决定了成形零件的综合性能。发展至今，其材料种类已经十分丰富，主要种类包括聚合物材料、金属材料、陶瓷材料等。 政策分析：政策助推市场规模 随着全球3D打印行业的日益发展，3D打印行业越来越受到国家的关注，而3D打印材料作为3D打印的先行行业，在推动我国3D打印整体发展上扮演着重要的角色。 从积极方面看，国家层面出台了《增材制造产业发展行动计划(2017-2020年)》、《重大技术装备和产品进口关键零部件、原材料商品目录》、《国家支持发展的重大技术装备和产品目录》、《增强制造业核心竞争力三年行动计划(2018-2020年)》等对3D打印材料行业起推动作用的政策，这些政策从制定行业发展目标、给予财政补贴、列入重点领域等方面对3D打印材料行业的发展给予支持。 2020年11月19日，国家市场监督管理总局(国家标准化管理委员会)批准《标准化工作导则 第2部分：以ISO/IEC标准化文件为基础的标准化文件起草规则》等586项推荐性国家标准和2项国家标准修改单，其中包含8项关于3D打印的标准，分别如下，这些新标准将于2021年6月1日起开始实施。 作为决定3D打印技术发展进程的一项重要因素，3D打印材料的地位逐渐提高。随着3D打印技术的一步步普及，对于材料的需求也在飞速上涨。据悉，目前3D打印材料在3D打印行业中的市场规模占比约为24.1%，结合3D打印行业的整体市场规模，可以测算出全球3D打印材料市场规模。2017-2019年，全球3D打印材料市场规模逐年上升，2019年全球3D打印材料市场销售规模为28.8亿美元。 近年来，我国3D打印市场应用程度不断深化，在航空航天汽车、船舶、核工业、模具等领域均得到了越来越广泛的应用。3D打印技术已经成为航空航天等领域直接制造机修复再制造的重要技术手段。在汽车、船舶、核工业、模具等领域成为产品设计、快速原型制造的重要实现方式。 2017-2020年，我国3D打印产业规模逐年增加，增加速度要略快于全球整体增速，以致于我国3D产业占全球的比重在不断增加。根据2020年3月赛迪顾问发布的《2019年全球及中国3D打印行业数据》，2019年，中国3D打印产业规模为157.5亿元，较上年增加31.1%。 市场结构：非金属材料占主导 2019年，中国3D打印材料产业结构中，非金属材料产业规模25.38亿元，占比最高，达到62%;金属材料产业规模15.56亿元，占比38%。 根据IDC的对3D打印材料调查数据，2018年金属耗材占比为39.4%，低于塑料的40.4%，主要由于金属打印的产业化正处于快速扩张阶段，设备端的增长领先于材料消耗的增长。非金属3D打印通常使用塑料、树脂材料等，金属3D打印通常使用各类合金粉末和线材。 相比传统制造模式，非金属3D打印的优势主要在于无模化和可定制，但受限于材料性能，其主要用于样品和模具的生产，量和价都很难起来;而金属3D打印除了具备无模化可定制优势外，在打印效率和打印质量上相比传统金属加工工艺均有较为明显的提升，甚至能够完成传统工艺无法制造的高复杂度高精密度零部件的打印，具有更大的发展潜力。 竞争格局：国外产业化进程远超国内 我国3D打印材料市场主要由国内大型公司和国外3D打印材料公司占据，从材料产品种类来分，可以分成金属粉末材料、光固化树脂、线材和非金属材料。下面为我国3D打印材料市场中主要的国内外公司： 根据前瞻对公开信息的整理，2019年-2020年全球3D核心材料相关事件仍以工程塑料为主、金属材料为辅。从全球3D打印材料的事件来看，国外的3D材料研发机构广泛，覆盖军方、大学和企业，而中国的3D打印材料研发仍集中在科研院所端，产学平台暂未建立。 发展趋势：3D金属材料欲乘风起 众所周知，塑料材料一直朝着高强度方向发展，通过增强塑料强度用来直接替换金属用于各类复杂构件，既便宜又质轻，从而使塑料材料在3d打印制造中被广泛应用。此外，塑料材料还可以避开缺陷向复合化、功能化方向发展，特别是实现多元材料复合，进而赋予塑料特定功能。 例如，通过3d打印技术制造工艺复杂的智能材料、光电高分子材料、光热高分子材料、光伏高分子材料及储能高分子材料等新材料;利用生物塑料的生物相容性向医学人体组织发展，3d打印在细胞、软组织、器官及骨骼等方面仍具有巨大应用空间，尤其在组织工程应用中具有独特优势。 可以预见，在今后10 年内，塑料材料将仍将是不可或缺的3D打印材料，同时麦肯锡公司(McKinsey & Company)发布的一份报告指出，金属3d打印的市场价值将在未来15年内飙至100亿美元。航空航天产业为例，金属3D打印能满足其对于结构设计、材料和制造工艺的需求，在保证性能的前提下能大幅减轻零部件质量，同时还能有效缩短零部件的制造流程。 金属 3D 打印工艺中金属粉末质量是影响最终打印部件结构及性 能的关键因素之一，目前国内制粉水平接近国外但仍有差距。金属粉末质量越好，粒径越小，其打印出的产品致密性、机械性能越好。 2013年国外公司3D Systems制出的粉末粒径为6-9μm，国内钢研高纳2019 年生产粉末粒径为 10μm。铂力特公司建成的粉末生产线，可用于其 自制的 3D 打印设备，提高打印产品质量。根据铂力特招股书，其研制粉末粒径最低为 20μm 左右，与国内外先进公司有一定差距。 金属增材制造技术发展中有三个重要的因素，设备、材料和工艺，国内目前在这三方面还有提高的空间。为了扩大3D打印技术的应用规模，金属增材制造技术正在朝着低成本、大尺寸、多材料、高精度、高效率方向发展。 3D打印的快速增长主要依赖于建筑、工业机械、汽车，航空航天、牙科和医疗产业的增长。3D打印技术的发展，材料是一项重要因素。目前塑性粉末和光敏聚合物材料在3D打印作业中的应用最为广泛。由于3D打印科技工具用方向逐步转向最终产品生产应用，金属打印材料会占有越来越多的市场份额，金属材料份额比重2025年将超过60%。 欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.2020年全球3D打印市场规模（设备、材料、服务）发展情况 2.中国财经报：增材制造强力赋能制造强国建设 3.新型材料助力3D打印行业的循环经济之路 4.工艺人员会失业吗？开启金属3D打印，并没有你想得那么难