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

2月22日，阿尔法·罗密欧在波兰华沙发布了其2021赛季款新车C41，这台时速达200英里的钢铁巨兽继承了许多上一代C39的配置和部件。最值得关注的是，阿尔法·罗密欧有着丰富的3D打印技术应用经验。本期，3D打印技术参考重点介绍3D打印如何与轻质材料、创新设计结合，为汽（赛）车提速、增效、降本。 从143到304，将赛车上的3D打印零件数量翻番 阿尔法·罗密欧上赛季“C39”总共配备了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。 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，达到如今的304个。其中AlSi10Mg、Scalmalloy、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。 阿尔法·罗密欧C39和C41上的3D打印材料和零件数量 阿尔法·罗密欧技术总监表示，3D打印内部制造对于F1车队至关重要，相比从外部供应商订购零件更具成本效益。最终这些特殊设计的零件通过内部的MetalFAB1（Additive Industries）系统打印完成，其制造成本相比通过传统机加工生产的组件降低了约90％。 阿尔法·罗密欧C41 由于今年是这项运动的首个新赛季，其成本上限不超过1.45亿美元，每一分钱都被格外看中，内部3D打印成为该公司控制成本的重要组成部分。 在赛道之外，阿尔法·罗密欧还与Additive Industries合作建立了金属3D打印中心，除四台MetalFAB系统外还拥有13台聚合物3D打印机，每年生产22000个零件。 3D打印实现制造轻量化：从材料到结构 对于赛车运动来说，减重无疑至关重要。当前，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。三者相辅相成实现最终产品的轻量化制造，而产品结构优化设计和材料的优化设计具有广大的研究和开发空间。 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，但比例逐年下降，铝合金、钛合金、镁合金、工程塑料、复合材料等材料比例逐渐增加，这些材料在汽车制造领域的应用尤其广泛。 保时捷利用3D打印技术制造出高性能发动机铝合金活塞 保时捷3D打印的铝合金发动机外壳原型（包含了一系列创新设计） 铝合金是现阶段应用最广、最为常见的汽车轻量化材料。曾有研究表明，铝合金在整车中最多可以使用540kg，这样的情况下汽车将减重40%，奥迪、丰田等的全铝车身就是很好的例子。目前铝合金3D打印材料种类主要有AlSi10Mg、AlSi7Mg、AlSi12等，其中AlSi10Mg几乎占据绝对主流。当前高强铝合金也有很多牌号，本文不再赘述，可查看延伸阅读。 钛合金的主要优点是低密度、高强度密度比和优异的耐腐蚀性，另外即使在温度升至500°C时仍能保持很高的强度。钛合金用于汽车与钢、铝合金以及镁合金相比的主要缺点是成本高，但其在汽车其他方面的应用具有轻量化的潜力，可用于制造悬架弹簧、排气系统等部件。但是，这对于赛车运动，成本与性能相比还要排的靠后一点。 采用3D打印制造的布加迪跑车钛合金卡钳重量由4.9公斤减少至2.9公斤 布加迪3D打印的钛合金外壳和陶瓷制成的排气尾管 一个典型案例是布加迪对传统的刹车盘的设计优化，其采用高强钛合金代替传统铸铝，虽然材料的密度有所提高，但材料性能得到大幅提升，配合结构设计，最终通过3D打印制造的卡钳重量减轻了40%。 在经典的轻量化设计中，“通过替代材料减轻重量”一直是指导原则，因此，轻量化设计的附加值来自创新材料。然而，较轻的材料通常在采购、设计和使用方面都需要高昂的成本。现代轻量化设计会考虑整个系统，在概念阶段就已经专注于减轻重量。采用优化设计的方法实现制造轻量化，不仅可以降低对材料的使用要求，还能减少昂贵材料的使用量，缩短加工时间。 当前主流的轻量化设计方案包括采用点阵结构大规模替代实体材料、拓扑优化、模仿自然结构的创成式设计等，但这些结构如果不借助3D打印，要么完全无法制造，要么只能采取折中方案，唯有3D打印可以更好的实现设计师的构想。 材料和结构协同制造，3D打印为减重进一步释放空间 轻量化的材料+创新型的设计+3D打印，新模式为减重进一步释放了空间。材料和结构协同制造，使满足更高要求成为可能。 轻量化材料的使用必须与产品设计和制造工艺相结合，只有这样才能达到有效的目的。开发适应轻量化材料的新工艺不仅可以加速新材料在汽车上的使用，同时还可以降低材料成本，有利于扩大应用。据汽车界人士预测，在今后十年中，汽车自身质量还将减轻20%，除了大量采用复合材料和轻质合金外，新材料的集成制造工艺会显著降低车身部件数量，车身设计方法也将发生重大变化。 未来汽车可用3D打印工艺及材料 3D打印作为一种先进的新型制造工艺之一，受到了来自汽车制造商的广泛重视，它的优势体现在增量制造所带来的材料浪费损失的降低，以及集成制造带来的轻量化效果的大幅提升。即便3D打印可直接制造的材料仍然有限，但在轻量化材料直接制造方面似乎并未遇到太多阻力。 目前，成熟的3D打印工艺和材料受到了很多汽车制造商的重视，大众、福特、宝马等汽车厂商均设立了包括增材制造在内的先进制造中心，这无疑为汽车的轻量化制造带来了更多机遇。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.当前国内外3D打印高强铝合金种类、性能信息汇总 2.看布加迪如何依靠3D打印实现“2两”拨千斤 3.福特公司看重铝合金粘结剂喷射3D打印 4.含钛合金和超级合金3D打印组件，毅力号成功着陆火星

3.11日外媒消息，粘结剂喷射3D打印技术领域领先的ExOne和Desktop Metal公司同时宣布实现了6061铝合金粘结剂喷射3D打印。长期以来，铝合金并不能用于粘结剂喷射3D打印工艺，这是因为在完成打印后需要进行烧结后处理，在此过程中易导致铝合金燃烧，这是该技术进行铝合金加工的一大挑战。 两公司同时宣布突破铝合金粘结剂喷射3D打印 Desktop Metal所采用的材料由Uniformity Labs提供，新型粉末可以进行高浓度烧结，这是两家公司经过多年合作开发的一种低成本原料，可生产出完全致密的可烧结6061铝，伸长率超过10％，并具有相比锻造6061铝更高的屈服强度和极限抗拉强度。DM公司CEO兼联合创始人RicFulop提到：“作为汽车、航空航天和消费电子领域最受欢迎的材料之一，铝合金粘结剂喷射3D打印技术的突破具有重大里程碑意义，也是3D打印行业向前迈出的重要一步。” 将轻质金属添加到粘结剂喷射3D打印的材料体系中，为跨行业的各种热应用和结构应用打开了大门。Desktop Metal新开发的6061铝合金粉末中添加了烧结助剂，按照目前的消息，这种助剂被包裹在了颗粒表面；此外，用于喷射的粘结剂中也掺入了昂贵的纳米粒子或者铅、锡、镁等材料。官方同时指出，该粉末还能与水基粘结剂一起使用，并且相对于其他市售6061铝粉具有更高的耐火性，从而提高了安全性。 Desktop Metal使用的的6061铝合金粉末形貌 相比之下，ExOne并没有公布其材料来源，不过该公司透露是通过与福特汽车公司合作实现的铝合金粘结剂喷射3D打印技术的突破，这说明了汽车公司对这项技术的看重。 官方消息称，在由福特和ExOne共同创立的项目中，由工程师、材料科学家和制造专家组成的团队共同开发了这种用于铝材的快速可靠粘结剂喷射3D打印和烧结的工艺，该工艺可提供与压铸可比的性能，烧结件的密度可达到99％。十多年来，研究人员一直回避铝合金烧结成型的商业可行性，基于该项目的成功，福特和ExOne预计将申请合作和独立专利。   福特和ExOne共同开发了铝合金快速可靠粘结剂喷射3D打印和烧结工艺 汽车公司为何看重铝合金粘结剂喷射3D打印 当前，铝合金虽已经可以采用激光进行3D打印，但福特公司更加看重效率，他们希望能够以经济实惠的方式生产专为3D打印而设计的复杂零件，从而实现尺寸和重量的减小、零件的整合和性能的提高。 福特公司增材制造技术负责人表示：“这是汽车工业生产3D打印和烧结零件的一个突破。“虽然3D打印工艺与冲压车身面板有很大不同，但我们现在更加了解铝合金的性能，以及铝在轻量化车辆中的价值。高速铝合金3D打印为我们刚刚开始关注的其他应用铺平了道路，因为它能够用铝制作以前不可能的复杂零件。” Exone采用粘结剂喷射技术3D打印的铝合金零件 据称，Ford-ExOne联合开发项目于2019年首次启动。福特领导了最终的材料和可重复性测试，以验证其准确性。跨职能的Ford-ExOne团队正在积极研究使用新材料和新工艺的设计。 END 全球铝铸件市场每年超过500亿美元，粘结剂喷射3D打印作为一种新的解决方案势必产生巨大的影响。 根据3dpbm Research即将发布的关于金属增材制造领域的市场报告，铝合金已成为仅次于钛、钢和镍的第四大最受欢迎的合金，而到2030年，它的排名还将更进一步。如果粘结剂喷射技术能够证明能够像宣传的那样进行批量生产，这项技术对于铝合金来说将更加重要。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.铝合金大尺寸构件3D打印一体化制造的需求、限制因素及进展 2.当前国内外3D打印高强铝合金种类、性能信息汇总 3.铝和钛：航空航天增材制造的绝佳选择 4.华中科大：开发用于增材制造的新型抗裂纹、高性能铝合金

“十四五”期间，我国多型运载火箭将相继承担重大航天工程任务，长征五号B运载火箭将发射空间站核心舱，长征七号运载火箭将发射货运飞船，长征二号F运载火箭将通过发射载人飞船把航天员送入空间站。三型火箭将在两年完成11次任务，最终完成空间站建设。 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。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。 我国空间站（示意图） 近年来，美国、欧洲的航空航天设计部门发现，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。采用3D打印技术一次成型整体大尺寸构件，材料利用率高、适合个性化零件生产。然而在此方面，我们看到比较多的是钛合金框架结构、镍基高温合金以及铜合金的火箭燃烧室等，采用3D打印直接制造铝合金大型构件的案例却极少看到。 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，激光、电子束和电弧能量沉积以及搅拌摩擦焊技术已经发展为大型整体高性能关键金属零件的直接制造的重要技术。 1.激光能量沉积制造铝合金构件的瓶颈及进展 目前，铝合金激光能量沉积制造仍存在很多困难，即便采用送丝打印能够使用，也存在成本控制和质量问题。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。 2020年，知名工业级3D打印机生产商Optomec宣布，其公司LENS定向能量沉积（DED）系统在增材制造和铝合金修复方面取得了突破。该公司表示，这项创新技术可用于沉积任何种类的铝合金材料，包括其专门为提高增材制造加工性能而开发的铝合金。 Optomec LENS DED系统将铝粉打印到铝合金基板上 Optomec公司这一DED工艺的发展为交通运输和航空航天工业提供了一种新的加工途径，即可以利用粉末冶金的DED工艺对复杂的铝合金零件进行修复。此外，使用Optomec的LENS同步五轴系统可以直接加工具有复杂几何形状的铝合金零件，而无需任何支撑结构。铝合金在极低的氧气浓度和湿度的可控工作箱中沉积，从而确保制造出具有优异机械性能的部件。 Optomec 3D打印的铝合金样块及显微组织 当前，Optomec的工程师已经完成了铝合金的工艺参数开发，可提供出色的表面光洁度，高沉积速率和约99.9％的密度。 2.电弧熔丝增减材一体化制造世界上首件10m级高强铝合金构件 WAAM电弧熔丝3D打印技术，是一种利用逐层熔覆原理，采用熔化极惰性气体保护焊接（MIG）、钨极惰性气体保护焊接（TIG）以及等离子体焊接电源（PA）等焊机产生的电弧为热源，熔化金属丝材，在程序的控制下，根据三维数字模型由线-面-体逐渐成形出金属零件的先进数字化制造技术。该技术沉积效率高、丝材利用率高、整体制造周期短、成本低，对零件尺寸限制少，易于修复零件，而且还能够实现原位复合制造以及成形大尺寸零件。 2021年1月，中国国家增材制造创新中心、西安交通大学卢秉恒院士团队宣布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。 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。 3.搅拌摩擦焊，一种被用于火箭贮箱制造的一体化成型技术 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。 2020年12月，我国首个3.35米直径铝锂合金火箭贮箱在火箭院诞生，经各环节试验检测合格且性能良好，初步具备工程应用条件。该贮箱采用了第三代高性能铝锂合金，与当前国际主流铝铜合金贮箱相比，强度提升30%左右，同等条件下结构减重15%以上。这标志着我国已打通国际一流贮箱研制链路，运载火箭研制水平实现新跨越。值得注意的是，在该型贮箱的制造与攻关中，搅拌摩擦焊位列8大关键技术之中。 3350直径铝锂合金贮箱工程样机下架 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 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 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 大型铝合金材料的整体结构件在多个行业有着较为普遍的应用。但整体结构件金属去除率高、刚性差，易加工变形，加工质量和精度很难保证。为了解决这个问题，虽也有传统技术最终可以实现，但3D打印无疑提供了另一种更为高效的途径。随着钛合金、高温合金、铜合金等材料陆续实现了大尺寸构型的整体制造，铝合金虽困难重重，但还是取得了显著的进步，用于最终用途零件，也是未来可期。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.航发综述：增材制造典型复杂结构的种类及应用情况 2.使用光学层析成像识别制造过程缺陷，保证3D打印部件质量 3.当前国内外3D打印高强铝合金种类、性能信息汇总 4.破除忧虑——采用金属回收废料制造的3D打印粉末能否符合规格

对于激光增材制造而言，铝基材料是典型的难加工材料，这是由其特殊的物理性质(低密度、低激光吸收率、高热导率及易氧化等)决定的。 常用的Al-Si系合金，如AlSi10Mg和AlSi12由于近共晶成分使凝固温度范围狭窄，从而大大降低了激光增材制造过程中的开裂风险。然而由于其铸造铝合金的材料本质，即使采用经过优化的工艺制备，抗拉强度也难突破400MPa，从而限制了其在航空航天等领域服役性能要求更高的承力构件上的使用。 激光增材制造铝合金及其复合材料的力学性能 为进一步获得更高的力学性能，近年来Al-Cu、Al-Mg和Al-Zn等铝合金体系也被用作SLM成形材料，但这类铝合金中较高的合金元素含量和较宽的冷却凝固温度范围，使得沉淀强化合金在激光增材制造过程中易形成裂纹甚至发生开裂；且相对于铝元素，镁和锂等合金元素更易在高能激光的高温作用下发生气化蒸发，从而影响成形件的成分稳定性及力学性能。在这种情况下，开发具有改良结构的特殊铝合金用于SLM技术具有重大意义。 Al-Cu-Mg合金的开裂机理示意图 前不久，华中科技大学宋波教授联合中南大学和南洋理工大学，通过将Ti引入Al-Cu-Mg合金有效地促进了晶粒细化和从柱状到等轴晶粒过渡。Ti改性后，由于形成了均匀细密的等轴晶，消除了热裂纹，其抗拉强度达到426.4MPa，屈服强度为293.2MPa，延展性为9.1％。研究人员通过热力学计算和显微组织表征，详细讨论了Ti改性铝合金的合金组成设计，裂纹消除机理和组织演变。相关研究结果以题为“Anovelcrack-freeTi-modifiedAl-Cu-Mgalloydesignedforselectivelasermelting”发表在AdditiveManufacturing上。 SLM制造的Ti/Al-Cu-Mg和Al-Cu-Mg合金的力学性能 Ti改性的Al-Cu-Mg合金的优异机械性能主要归因于裂纹的消除和精细的等轴组织。热力学计算表明，Ti的加入能显著提高裂纹扩展限制因子，不过对裂纹敏感性影响不大。通过实验方法，证实了SLM对Ti/Al-Cu-Mg合金零件裂纹形成的抑制作用。在SLM制备的Ti/Al-Cu-Mg合金零件中，除了Al2Cu析出物和α-Al基体外，还发现了Al3Ti纳米粒子。Ti的加入有效地促进了Al-Cu-Mg合金的晶粒细化和柱状晶向等轴晶的转变。 Al-2.25Cu-1.8Mg-xTi相图 Ti/Al-Cu-Mg合金细等轴晶形成过程示意图 与柱状晶粒相比，等轴晶粒更容易旋转以适应应变，从而抑制了相邻晶粒之间的相干性。细等轴结构中每体积更多的界面也能够更好地消除热应力。此外，等轴细晶粒还可以改善快速凝固过程中的液相流动，从而在很大程度上避免形成热撕裂裂纹。另外，与粗大柱状晶粒的平坦边界相比，在细等轴微结构中提供了更弯曲的裂纹路径，从而抑制了裂纹扩展。因此，与Al-Cu-Mg合金的粗大柱状显微组织相比，Ti的添加形成的细等轴组织显著降低了产生裂纹的可能性。 拉伸试验后（a-b）Al-Cu-Mg合金和（c-d）Ti/Al-Cu-Mg合金断口的SEM显微图像 最后，研究人员指出改性的Al-Cu-Mg合金的Ti添加量为1.5 wt％。这种新颖的钛改性铝合金具有细的等轴晶粒和增强的力学性能，为可打印的轻质材料提供了新的成分空间。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.制约铝合金3D打印应用的六大因素及国内外高强铝合金的商用进展 2.铝和钛：航空航天增材制造的绝佳选择 3.北航最新Science: 3D打印抗疲劳高性能材料—镍钛合金 4.超越空客，中车研究院新型3D打印高强铝合金获重大突破

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

就3D打印金属粉末而言，粉末球形度直接影响粉末的流动性、松装密度等特性，对打印成型过程和制件性能都会产生重要影响。粉末球形度不好，或卫星球比例过高会影响送粉和铺粉的质量，进而影响打印件的外观质量、增加内部缺陷。因此，球形度是衡量增材制造金属粉末品质的一项重要指标。 随着粉末制备技术的进步以及打印设备对粉末接受程度越来越宽泛，目前各材料厂家通过多种技术生产的大部分3D打印材料都能够保持一定的球形度水平并且满足打印要求，但唯独铝合金粉的球形度问题一直受到关注。其主要原因在于铝合金密度轻，本身就不易获得高的流动性，而且铝合金粉末制备过程的形貌控制较其他合金材料难度要大，以至于在很长一段时间内3D打印用铝合金粉末几乎不采用霍尔流速计测量粉末流动性。 近年来，材料厂家不断改进粉末生产工艺，使铝合金粉末的球形度有了较大改善，霍尔流速计流动性已经能够控制在100s以内。北京康普锡威科技有限公司自2016年开始从事3D打印铝合金粉末的开发和生产，2020年该公司推出了优化工艺的AlSi10Mg合金，粉末球形度高、流动性好，进一步突破了以往铝合金粉末流动性差的技术难题，使霍尔流速计流动性控制在了50s以内。 氧含量 (ppm) 流动性 （s/50g） 松装密度 （g/cm³） 振实密度（g/cm³） ＜200 49.65 1.51 1.67 康普锡威AlSi10Mg（15-53μm）粉末性能 康普锡威AlSi10Mg（15-53μm）粉末粒度分布 经研究发现，该高球形度铝合金粉末在与激光作用过程中可形成更为均匀的熔道，成型件内部孔洞缺陷少，具有优良的致密度和力学性能，而且表面质量也得到了改善。其主要原因在于高球形度粉末的一致性更优、流动性更佳，更易获得均匀平整的粉末层，且在铺粉或落粉过程中也不易堵塞供粉系统；此外，所制备的高球形度铝合金粉末几乎无空心粉，更有助于提高打印性能。 康普锡威AlSi10Mg的粉末形貌及粉末横截面微观组织 康普锡威AlSi10Mg沉积态件显微结构 康普锡威高球形度AlSi10Mg的粉末特性 康普锡威高球形度AlSi10Mg打印的零件 当前大尺寸成型装备不断涌现，单次装粉量较大而且多以上送粉形式供粉，因此对粉末的一致性和流动性提出了更高要求，康普锡威公司所开发的高球形度铝合金粉末在此类打印过程优势更为明显。除了常规的AlSi10Mg，该公司还面向当前对高强铝合金的应用需求新研制了具有自主知识产权的CPAL-G铝合金粉末，制备的3D打印样件抗拉强度高达600MPa、屈服强度590MPa。 关于康普锡威 北京康普锡威科技有限公司成立于2005年，是有研科技集团有限公司（原北京有色金属研究总院）子公司、高新技术企业。公司研发团队自上世纪80年代开始进行快速凝固气雾化技术的研究开发和生产应用工作，是国内最早进行球形金属粉末制备技术研究和应用的团队之一。公司依托自主开发的成套高品质粉末雾化制备技术，开展增材制造、微电子互连等球形金属粉末产品的开发与服务。2018年，有研集团成立有研科技集团增材制造创新中心，主要任务是围绕增材制造用高端材料开发与制备技术、材料计算与模拟、材料及制品测试与评价等方面开展技术攻关，服务国防军工、航空航天等重点领域。北京康普锡威科技有限公司是有研集团增材制造创新中心挂靠单位。 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.最新研究：硅可以防止3D打印7075铝合金的微裂纹 3.制约铝合金3D打印应用的六大因素及国内外高强铝合金的商用进展 4.Inconel 718：用于增材制造的主力材料 --广告--

相比于传统制造方法，粉末床熔融技术成本较高，其中粉末成本占据了重要部分。粉末床增材制造存在一个显著的特点：即使仅成形一个零件，也需根据零件高度准备能覆盖成形仓相应高度的金属粉末（对于有供粉仓的成形设备，同样需将金属粉末填充至所需高度），粉末利用率并不高。有研究发现，单次粉末床增材制造时仅有质量分数２％～３％的粉末熔化为金属部件，可见将粉末回收进行重复使用是降低成本、缩短生产周期的最有效的手段。然而，重复使用的粉末每次成形均会造成部分粉末质量变差，其物理、化学特性不可避免地在重复循环使用中发生一定变化。因此，有必要对其重复用于增材制造是否会导致零件性能下降进行验证，尤其是将粉末循环制件用于质量要求较高的航空航天和某些生物医学等风险较高的行业时。来自中国航发的研究人员，结合增材制造领域金属粉末的研究进展，选取近年来业内研究较多的316L不锈钢、Ti6Al4V和IN718合金3种粉末材料，对循环使用过程中粉末的化学性能、物理性能、制件性能变化进行了概述，并基于民用航空零部件增材制造需求，分析了金属粉末循环使用时存在的若干问题，提出了解决思路。 化学成分的变化 316L不锈钢粉末 316L不锈钢粉末与其他金属粉末最明显的区别为其表面存在一层SiO2氧化层，随着不断的重复使用，粉末表面氧含量上升，氧化层厚度增加，铬、锰、铁元素等向粉末表面扩散，氧化层成分由SiO2转变为MnCr2O4。多次重复使用后，粉末中一些原始元素，如铬、镍、锰、磷、硫、氮等轻微增加，碳、铁、钼、硅等略有下降，但从统计学角度而言，各元素变化均在测量误差范围内。此外，不规则、粗糙颗粒表面的硅、镍、硫、氧含量在多次重复使用后有所增加。诸多研究表明，316L不锈钢粉末元素的整体变化比较微小，可以近似认为其基本保持不变，这可能是由于粉末表面氧化层的存在阻碍了部分元素的变化。颗粒表面出现的一些非氧化物组成元素，则是因部分金属粉末在激光作用下局部熔化后发生成分偏析所致。 Ti6Al4V合金粉末 Ti6Al4V合金粉末主要应用激光选区熔化（SLM）和电子束选区熔化（EBM）两种粉末床熔融技术成形，其成分研究主要集中于氧、氮、铝、钒等元素的变化。在循环使用过程中，EBM成形用Ti6Al4V合金粉末中氧元素含量有所增加，而SLM成形时各元素含量基本保持不变。 IN718高温合金粉末 近年来有关IN718高温合金增材制造工艺的研究数量有所增加，然而其粉末循环使用相关报道较少，仅有SLM、EBM、LMD修复等3种方式少量涉及。 SLM成形用IN718高温合金粉末在循环使用时，化学成分基本无明显变化，因具有高纯氩气保护气氛，在不添加新粉末的情况下可重复使用10次以上，添加新粉末时可重复使用达38次。但也存在氧元素含量上升，重复使用次数减少的情况。 综上所述，粉末循环使用过程中应重点关注氧元素的含量变化，虽然有研究表明成形件中的氧含量低于粉末原料的，但粉末表面氧化物的增加会影响粉末对激光的吸收，从而影响成形质量。此外，在粉末循环使用过程中还需对其中的亲氧元素和易烧损元素进行监控。 物理性能的变化 在粉末粒度方面，上述3种材料无论通过SLM还是EBM方式成形，平均粒径均增大，整体粒度分布变窄或基本不变。其主要原因为铺粉时小颗粒填充至大颗粒间隙中，随着成形的不断进行，小颗粒逐渐消耗减少；而成形过程中的飞溅、黏连、重熔等使得大颗粒数量增加。已有研究表明，不锈钢粉末多次使用后颗粒长径比增加，形状不规则颗粒数量上升，且存在较多的附属颗粒和黏结颗粒。随着重复使用次数的增加，卫星球的数量先减少后增加，但也有多次使用后卫星球数量仍不断减少的报道。 打印过程中产生的飞溅 在粉末形貌方面，EBM成形用Ti6Al4V和IN718合金粉末在多次成形后明显出现球形度下降、表面粗糙度增大的现象，甚至出现拉长和变形颗粒；SLM成形方式下，颗粒表面仅在使用次数较多时变得更为粗糙，球形度基本无变化；而部分316L不锈钢粉末在重复使用后出现球形度提高、表面更加光滑的现象，这可能是由于增材制造过程中的熔化和凝固使一些原本受热影响粗糙化的颗粒表面受到破坏所致。 3D打印的IN718零件 鉴于重复使用后粉末中小颗粒数量减少、卫星颗粒占比降低，其流动性普遍得到提高；但当使用次数过多，卫星颗粒数量再次上升时，流动性提高的趋势会有所减弱直至稳定。 此外，316L不锈钢粉末在循环使用过程中出现了磁性颗粒，并且含有大量细小的δ铁素体晶粒和一些完全或几乎完全奥氏体化的单晶粉末颗粒，而原始粉末中仅存在多晶奥氏体颗粒。推测相变是不锈钢粉末磁性发生变化的原因，在重复使用过程中需要将带有磁性的金属粉末进行筛选去除。研究人员在IN718合金粉末重复使用过程中也有类似发现，具体原因尚需进一步研究。由于磁性颗粒的存在会导致粉末团聚，降低铺粉质量，如何避免该现象将成为未来增材制造粉末循环利用的一个重要研究方向。 成形件力学性能的变化 随着循环使用次数的增加，粉末流动性、表面形貌和化学成分等均发生一定变化，成形件的力学性能亦会受到影响。目前，相关研究主要集中在拉伸性能、疲劳性能和冲击性能等方面。 3种粉末成形件力学性能随循环使用次数的变化 316L不锈钢、Ti6Al4V和IN718合金3种粉末循环使用后成形件的拉伸性能与原始粉末制件的相差不大，抗拉强度有时呈上升趋势；Ti6Al4V合金成形件的疲劳性能虽然整体没有显著变化，但高循环应力条件下表现出较高的疲劳寿命；IN718合金成形件的断裂韧性和断裂应变变化较大，但与重复使用次数并不存在明显的关联性。 Ti6Al4V第1、5、10、15批次的零件拉伸性能数据 综上，粉末多次重复使用并不会使成形件拉伸性能明显下降。成形件性能与内部缺陷有关。目前其他性能与粉末重复使用的相关研究十分有限，也没有建立缺陷与粉末重复使用次数的关系，因此无法表明粉末重复使用是否会导致其他性能或波动程度的变化。 END 金属粉末在源头上决定了增材制造的成本和产品质量，充分开展粉末循环使用研究对于控制成本、保障产品质量稳定性至关重要。本文综述了该领域应用最多的三种材料在重复使用过程中发生的物理化学以及打印件性能的变化情况，并为民用航空零部件增材制造需求提出了解决思路，更完整版本的论述可在QQ群查询原文。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.摆放位置和粉末重复使用对3D打印零件疲劳性能的影响 2.金属3D打印工艺链对TC4粉末性能的影响 3.粉末可回收性因素对金属增材制造的影响 4.粉末粒度分布和微量元素差异造成的金属3D打印质量问题

导读：日前，FAA正式向GE9X发动机颁布了适航许可证，GE公司随即发布了增材制造报告，公开披露了267个通过3D打印制造的零件材料、原因以及方法。本期内容，由3D打印研究院带你揭秘GE9X-Additive Manufacturing。故事要从波音777X首飞成功说起。 世界上最大的双发喷气客机波音777X完成首飞，全程3小时51分钟 这架飞机的机身总长达到了76.7米 载客量达400人-425人 从北京出发，777X航程可覆盖全球主要目的地 听起来就帅爆了！ 波音777X还搭载了全球动力最强劲的商用发动机GE9X(终于说到主角了），而且是双引擎！ FAA又给GE9X了适航合格证 GE9X的风扇直径达到了3.4m，进气道直径为4.5米，它比一架波音737的机身直径大76厘米。也就是说，波音777X上的一具发动机，便可以将波音737的机身“吞”进去。仅比波音767飞机机身直径小20厘米。 涵道比为10：1，其推力可达470千牛（100000磅）。 与上一代GE发动机相比可节省10%~15%燃油消耗。 这个牛逼玩意儿顺便还拿了吉尼斯世界记录 该发动机还拥有新一代压比达27：1的11级高压压气机、高效率和低排放的第3代TAPS III燃烧室，以及采用陶瓷基复合材料（CMC）的燃烧室和涡轮。 采用电子束粉末床技术制造的低压涡轮叶片相比传统的镍基高温合金轻50％左右，具有优异的比强度，使整个低压涡轮机的重量减少20％，同时将使GE9X提高了10％的推力。 GE9X拥有近300个3D打印的零件 首次将多种材料的增材制造投入到单一航空发动机的生产中。 燃油喷嘴   燃油喷嘴的作用是将燃油雾化(蒸发），使燃油和空气充分混合，加速混合气形成，保证稳定燃烧和提高燃烧效率。 采用3D打印技术，更易实现喷嘴设计的早期迭代，能够将设计更改和试验迅速合并，节省大量时间 每个GE9X发动机有28个燃油喷嘴，采用钴铬合金材料，用3D打印技术将20个零件合并成一个。 寿命提高5倍以上，减重25%，降低成本30%。 该零件是使用Concept Laser M2打印机，通过激光选区熔化技术（SLM）完成制造。 顺便还收购了它。 低压涡轮叶片 每个GE9X发动机有228片低压涡轮叶片，由TiAl合金3D打印而成。 为什么选择TiAl合金？因为它牛逼啊！它轻啊！ 具有与镍基合金相同的材料性能，但重量却不到一半！   两百多个！每台发动机减重约400磅（减重50%），推力提高10%以上。 但是！ TiAl合金属于脆性材料，难以铸造，且在冷却过程中容易开裂，所以GE公司通过Arcam EBM A2X设备，采用了比较适用于脆性材料打印的电子束熔化技术（EBM)。 使用电子束熔化技术（EBM)可以控制热梯度，从而避免生产过程中产生收缩与裂纹缺陷。 顺便也收购了它。 T25传感器外壳 GE的T25传感器外壳是首个获得FAA认证的增材制造的飞机发动机部件。 每个GE9X发动机安装1个T25传感器外壳，使用钴铬合金3D打印而成， 为啥用增材？为了提高复杂零件的精度。 传感器的精度要求还是很高的。 将10个零件合并成1个复杂结构零件。从而提高30%的精度。 该零件是使用Concept Laser M2打印机，通过激光选区熔化技术（SLM）完成制造。 燃烧室油气混合器 燃烧室油气混合器的作用先将将空气和燃油充分混合，然后将混合物送入燃烧室燃烧产生动力，主要是为了低排放。 每个GE9X发动机有1个燃烧室油气混合器，由钴铬合金3D打印而成。 该零件是使用Concept Laser M2打印机，通过激光选区熔化技术（SLM）完成制造。 为什么采用增材技术呢？因为传统的工艺很难保证档板加工的一致性，而通过3D打印一体成形可以保证，还能减轻6%的重量并提高3倍使用寿命。 就问香不香！！！ 导流器   导流器，它能让发动机排出吸入的灰尘、沙子和其他碎片，延长发动机的使用寿命。 每个GE9X发动机有8个导流器，由钴铬合金3D打印而成。 一体化成型复杂结构，将原本13个零件合成一个内部复杂流道的零件打印出来。提高两倍以上的使用寿命。 该零件是使用Concept Laser M2打印机，通过激光选区熔化技术（SLM）完成制造。 热交换器 热交换器传统上由数十根细金属管焊接组成，用于GE9X的3D打印热交换器具有完全不同的外形。 包括优化的通道和充分利用3D打印设计自由度开发的复杂内部几何形状，通过3D打印一体成形，大大提高了热交换效率。 为什么使用增材技术？更轻、更便宜、更耐用 铝合金（F357）粉末,通过增材技术将原来163个零件合并为一个，不仅减轻40%的重量，还减少25%的生产成本。 ATC的现场负责人Antroine Townes说：“增材制造的独特之处和价值在于设计的灵活性和创新的速度。过去，设计师们受困于既有的制造方法。现在你可以不考虑这些限制，设计最适合发动机的零件，而不是最容易制造的东西。” EBM技术在航空中的使用越来越广泛，尤其是针对难以铸造的脆性材料。 EBM技术优势： 1、电子束扫描可将粉床加热到合理温度，有利于减小残余应力，防止应力集中导致零件开裂。 2、EBM在真空环境下进行，工作环境洁净可控，防止有害气体元素的影响。…

增材制造作为开拓制造业发展前景的新兴技术，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。为了减轻质量、提高寿命、降低制造成本，航空发动机结构中整体金属构件的使用越来越多，也使得航空发动机关键零部件加工难度大、特殊材料利用率低等长期以来制约航空发动机发展的因素更加凸显。直接利用增材制造生产金属零件的技术构想，是由美国联合技术研究中心在1979年首先提出，其应用对象主要是针对航空发动机的核心部件——涡轮盘。但受当时工业激光器功率及数控技术水平的限制，该项技术并未立即引起太多的注意。自20世纪90年代起，GE、罗罗、普惠等企业和研究机构对金属增材制造技术及其在航空发动机领域的应用开展了大量研究工作，提出了可通过增材制造技术生产的航空发动机零部件，如图1所示。 图1 可增材制造的发动机零部件 截至目前，高性能金属增材技术已经带来了诸多效益，例如，实现了发动机新型号的快速研发、零部件的质量减轻、显著节约了昂贵的金属材质、实现了结构的多样化、延长了部件的寿命和降低了修复成本等。当前，航空发动机领域增材制造技术的应用需求和研究热点，主要集中在降低材料与机加工成本、缩短研制周期、拓宽设计自由度以制造复杂结构整体部件，而风扇/压气机研制所用到的钛合金构件激光熔化沉积增材制造技术更是其中的研究重点。 增材制造在风扇/压气机的应用 1. 整体叶盘 20世纪80年代中期，在航空发动机结构设计中出现了一种称为“整体叶盘”的新构型，如图2所示。整体叶盘把发动机转子的叶片和轮盘制造成一体，省去了榫头、榫槽及锁紧装置等连接件，使发动机整体结构大为简化、结构质量减轻、零件数量减少。例如，美国F414发动机第二级、第三级风扇及前三级高压转子改用整体叶盘后，零件减少484个、发动机推重比由7.5∶1提高到9.0∶1；消除了榫头与榫槽间的气流损失，提高了气动效率，避免了由于装配不当造成的磨蚀，尤其避免了榫头、榫槽间的微动磨损，使发动机的工作寿命和安全可靠性大大提高。 图2 增材制造钛合金整体叶盘 整体叶盘技术代表了第四代、第五代高推重比航空发动机技术的发展方向，成为高推重比发动机的必备结构，是先进航空发动机研制必须采用的核心关键技术之一。整体叶盘增材制造技术将高性能钛合金材料制备与复杂零件直接近净成形有机地融为一体，与发动机钛合金大型整体叶盘传统制造工艺相比，具有成分均匀、组织细小、生产工序少、制造流程短、材料利用率高、制造周期短、成本低等优点，能够实现整体叶盘零件的低热影响、低变形修复。 钛合金整体叶盘增材制造技术已在EJ200、F119、F414、F110等军用和GE90、遄达900、PW300、BR715等民用航空发动机风扇及压气机转子上得到广泛应用。MTU、罗罗、GE、普惠等航空发动机公司从整体叶盘增材制造技术的提出和应用开始，就将有关整体叶盘的技术列为对外高度保密的核心关键技术，积累了几十年的研制经验。 2. 风扇/压气机机匣 1994年，罗罗公司与克兰菲尔德大学合作，开始探索航空发动机机匣的激光立体成形制造技术。2016年，罗罗公司和GKN航宇公司达成协议，扩展双方在遄达XWB-84发动机项目上的合作，GKN宇航公司负责为遄达XWB发动机设计提供高性能中间级压气机机匣，采用了包括增材制造工艺和新的焊接技术等最新设计方法和制造技术，如图3所示。这种由衬套、壳体、肋板等特征形式制造出的薄壁结构的零件还包括航空发动机叶片、燃烧室等，若采用传统的铸造、锻造、焊接、机加等工艺制造，则有周期长、材料利用率低等弊端。相比而言，增材制造能够比较容易地实现大型深径比薄壁结构的制备，可节约更多的研制成本及缩短研制周期。 图3遄达XWB-84发动机中间级压气机机匣 3. 宽弦空心风扇叶片 风扇叶片是涡扇发动机的核心零件之一。罗罗公司于1968年开始设计、制造宽弦风扇叶片，并在RB211-535E4发动机上成功应用。随着气动设计技术、结构技术、材料技术和增材制造技术的不断发展，宽弦空心风扇叶片在航空发动机上的应用更加广泛，罗罗、普惠、GE、斯奈克玛等公司均在各自的发动机产品上推广使用，如F119、遄达800等。宽弦空心叶片的应用改变了流道，减轻了风扇质量，并提高了发动机的推力。受此启发，伴随着材料工艺和增材技术的进一步融合发展，带新型气膜冷却结构的叶片、碳纤维复合风扇叶片、可调节导流叶片的增材制造技术也日趋成熟，如图4所示。 图4 增材制造的钛合金空心叶片 4. 轴承相关件 增材制造技术对轴承相关件的制造工艺主要集中在磨损故障的维修与力学性能的防护上。通过专用金属粉末对轴承、轴承座进行激光增材技术修复，以实现报废品的再生制造能力，节约了成本并缩短维修时间。罗罗公司的遄达XWB-97发动机采用的直径达1.5m的前轴承腔就是通过增材制造技术生产的，如图5所示。   图5 遄达XWB-97发动机的前轴承腔 5. 其他零部件 T25高压压气机温度传感器的外壳是GE公司商用发动机上首个获得美国联邦航空局（FAA）批准的增材制造零件，如图6（a）所示。传感器外壳主要用于保护温度传感器脆弱的电子元器件，防止结冰或被急速气流损坏。GE公司生产的T25传感器外壳于2014年10月完成最终设计，2015年2月通过FAA认证，在第二周就投入了使用，目前有超过400台GE90-40B发动机加装了用增材制造技术生产的T25传感器外壳。 普惠公司在齿轮传动涡扇发动机开发过程中，采用增材制造技术生产压气机静子和同步环支架，如图6（b）和图6（c）所示。借助增材制造技术，普惠公司可以将部件制造成任何形状，这就意味着未来将有更多零件，甚至整个发动机都可能通过增材制造技术制备而成。 图6航空发动机增材制造的部分其他零部件 增材制造技术发展趋势 尽管增材制造在航空发动机领域的应用探索已历经数十年，但在实际应用和推广方面仍处于起步阶段，以下几个方面是今后发展的重点。 1. 专用高性能材料的研发 当前，限制增材制造在航空发动机上应用的关键不是制造工艺，而是材料研发。其中，高性能合金，非金属聚合物，耐高温、防腐蚀、高韧性极限服役环境材料是航空发动机进行增材制造必不可少的原料，也是增材制造大规模应用的瓶颈所在。因此，增材制造专用高性能材料的研发将成为航空发动机领域的重要研究方向。 2. 建立完备的数据库与标准体系 经过多年探索发展，各国的增材制造技术正在逐渐从理论研究走向工程应用，而完备的数据库和标准体系的建立是其中的关键。例如，以国际自动机工程师学会（SAE）、美国材料与试验协会（ASTM）和国际标准化组织（ISO）为代表的研究机构综合多年的研究成果，建立了完备数据库和标准体系，形成了系统的研究方法。增材制造是一个多学科交叉、跨领域合作的热点技术，在未来研究中，需要加强基础理论的预先研究，建立各领域交流合作的共享平台，利用各学科优势互补创新，突破技术难题，形成基础研究和预研技术的体系化发展与规划，建立完备的数据库与标准体系是增材制造技术快速发展的基础条件。 3. 复杂结构的修复与再制造 航空发动机的研制是一个漫长的过程。一代发动机的研制需要10~20年甚至更长的时间，其服役工作的苛刻环境决定了对零件制造的要求极高。在很长一段时间里，金属增材制造的重点是航空发动机零部件的修复。因此，不仅要利用增材制造的特殊工艺研制出高性能的发动机产品，还应利用增材制造技术修复已失效的发动机零件，快速实现低成本的再生制造，延长发动机的寿命，同时节约一定的研制成本。 结束语 面对航空发动机对轻质量、高性能、长寿命、高可靠、集约化的迫切需求，目前基于增材制造并面向系统级、性能高效的功能集成化设计方法仍不健全，批量化增材制造产品稳定性难控制，制约着增材制造在高端动力装备的规模化应用。这也意味着基于增材制造技术，构建稳固创新设计、新型复合材料、特殊工艺制造、修复与再制造全流程技术体系，已成为促进该技术实现增材制造在动力装备规模化应用的重要发展途径。可以预见，随着研究的不断深入和行业的发展，增材制造技术必将给航空发动机制造业带来革命性的变化，机遇与挑战并存。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.航空航天领域增材制造四类典型结构及发展方向 2.系统论述航空航天增材制造3类典型材料及应用挑战 3.3D打印在航空航天领域的研究现状及国内应用案例 4.大型零件增材制造整合设计，看GE增材高级设计工程师如何说 --广告--