盤點(diǎn)：2021年全球重磅金屬3D打印材料新進(jìn)展

導(dǎo)讀：3D打印工業(yè)是一種萬能產(chǎn)業(yè),，可以制造幾乎一切產(chǎn)品,，而支撐這份龐大工業(yè)的基礎(chǔ)就是材料。3D打印所使用的材料大類可分為金屬和非金屬兩種,，其中在航空航天,、國防軍工等高端領(lǐng)域中金屬材料占據(jù)了大頭。伴隨著高端應(yīng)用需求的不斷增長,，如何突破現(xiàn)有金屬及合金材料的制造局限性,，使其得到更全面的發(fā)展，是亟需解決的問題,。本期,，南極熊總結(jié)了2021年全球重磅金屬3D打印材料新進(jìn)展，它們的成功應(yīng)用為汽車,、航空航天及電子器件等領(lǐng)域開辟了新道路,。

1、Digital Metal 推出用于粘結(jié)劑噴射的3D打印純銅粉末

純銅具有良好的延展性和導(dǎo)電性,，被廣泛用于生產(chǎn)電線等電氣連接件,。此外，銅還具有抗菌特性,，這為它在醫(yī)療上的應(yīng)用開辟了新路徑,。在增材制造中，銅材料應(yīng)用較晚,，但近年來呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢(shì),，尤其國防軍工領(lǐng)域銅合金增材制造應(yīng)用不斷取得重要進(jìn)展，更促進(jìn)了銅材料增材制造的發(fā)展,。一直以來,，用純銅材料進(jìn)行粘合劑噴射都是屬于全新的技術(shù)，而隨著電子移動(dòng)性和導(dǎo)熱性等快速增長領(lǐng)域?qū)︺~的應(yīng)用需求的飆升,，適用于3D打印的銅材料便成為了亟需突破的方向,。

2021年2月27日，工業(yè)3D打印機(jī)制造商Digital Metal宣布推出一種新的純銅粉末——DM Cu,，適用于粘合劑噴射3D打印技術(shù),。這種材料以優(yōu)異的導(dǎo)熱性而聞名,，成為熱交換器、管道,、發(fā)動(dòng)機(jī)和電子產(chǎn)品的散熱器等傳熱部件的選擇,，用戶可以通過配套的DM P2500 3D打印機(jī)制造出99.9%的純銅組件。

據(jù)悉,，Digital Metal已經(jīng)通過內(nèi)部的一些測(cè)試應(yīng)用對(duì)新型DM Cu粉末進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),。首先，公司3D打印了一個(gè)喇叭波導(dǎo)天線,，用于引導(dǎo)無線電波的波束,。像喇叭天線這樣的部件，如果使用傳統(tǒng)技術(shù)制造,，通常成本相當(dāng)高,，而且可能只在專門的研究或航空航天項(xiàng)目中需要小批量制造。因此,，每個(gè)零件的成本可能會(huì)急劇上升,，Digital Metal可以通過3D打印技術(shù)解決這個(gè)問題。在這里使用粘結(jié)劑噴射也有利于減輕重量,，因?yàn)楣镜墓こ處熌軌蜻x擇輕質(zhì)薄壁結(jié)構(gòu),，并采用肋骨來增加必要的剛度。

△3D打印的純銅喇叭天線,，圖片來自Digital Metal

△使用純銅粉3D打印的優(yōu)化散熱片,，圖片來自Digital Metal

在國內(nèi)，有研增材也于2021年推出適用于選區(qū)激光熔化的高導(dǎo)電率純Cu粉,，并在電氣等領(lǐng)域取得重要應(yīng)用,。此外，該公司目前已形成較全系列的增材制造專用銅及銅合金粉末產(chǎn)品,，包括純Cu,、CuSn10、CuCrZr,、CuNi2SiCr,、CuAlFeNi等。

2,、中航邁特先后突破高溫合金及高強(qiáng)鋁合金材料制粉工藝
實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)500kg級(jí)大容量智能化制粉裝備產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

突破超高純凈高溫合金粉末制粉工藝，中航邁特開發(fā)的GH3230高溫合金粉末,，有效解決了打印試件內(nèi)部大量微裂紋問題,，材料900℃屈服強(qiáng)度≥180MPa以上，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,，批量交付某航空航天客戶使用,；

在高強(qiáng)鋁合金粉末材料方面,，先后開發(fā)出中等強(qiáng)度和高強(qiáng)度鋁合金粉末材料，中等強(qiáng)度鋁合金抗拉強(qiáng)度≥450MPa,，延伸率≥10%,，高強(qiáng)度鋁合金抗拉強(qiáng)度≥550MPa，延伸率≥10%,；

完成VIGA500制粉設(shè)備建設(shè)及熱試,，突破500kg級(jí)爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、感應(yīng)線圈及進(jìn)電傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),、熔煉坩堝材質(zhì)及成形烘烤工藝,、長時(shí)大流量霧化噴嘴等多項(xiàng)前沿技術(shù)，單次投爐量可達(dá)500KG,，大力推動(dòng)國內(nèi)增材制造行業(yè)的應(yīng)用發(fā)展,。

3、粘結(jié)劑噴射3D打印的鋁合金材料獲突破

在增材制造的早期,，工程師發(fā)現(xiàn)鋁的特殊屬性（極易氧化）對(duì)鋁的加工帶來了很大的挑戰(zhàn),。但這導(dǎo)致了鋁方面的兩個(gè)獨(dú)立發(fā)展。一種是專門利用AM工藝制造的新型高性能鋁合金,。其次,，鋁解決方案已經(jīng)專門為壓鑄應(yīng)用開發(fā)。這兩個(gè)途徑一直引領(lǐng)著鋁在3D打印應(yīng)用中的普及,。

2021年3月,，ExOne和Desktop Metal同時(shí)宣布實(shí)現(xiàn)了6061鋁合金粘結(jié)劑噴射3D打印。Desktop Metal與Uniformity Labs合作開發(fā)的一種低成本原料,，可生產(chǎn)出完全致密的可燒結(jié)6061鋁,，伸長率超過10％，并具有相比鍛造6061鋁更高的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度,。ExOne則是通過與福特汽車公司合作實(shí)現(xiàn)的鋁合金粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)的突破,，雙方共同開發(fā)了這種用于鋁材的快速可靠粘結(jié)劑噴射3D打印和燒結(jié)的工藝，該工藝可提供與壓鑄可比的性能,，燒結(jié)件的密度可達(dá)到99％,。

△6061鋁發(fā)動(dòng)機(jī)塊模型

十多年來，研究人員一直回避鋁合金燒結(jié)成型的商業(yè)可行性,，其原因在于脫脂燒結(jié)過程極易導(dǎo)致鋁合金燃燒,，這是該技術(shù)進(jìn)行鋁合金加工的一大挑戰(zhàn)。而將輕質(zhì)金屬添加到粘結(jié)劑噴射3D打印的材料體系中,，為跨行業(yè)的各種熱應(yīng)用和結(jié)構(gòu)應(yīng)用打開了大門,。

4、新型高溫鈦合金材料——Ti6242與Ti2AlNb為汽車,、航空航天帶來更多可能性

鈦合金粉末以生產(chǎn)具有優(yōu)異機(jī)械性能的零件而聞名,，是當(dāng)前價(jià)值最高,、應(yīng)用最廣泛的3D打印金屬材料之一，尤以Ti6Al4V最為知名,，但在特定情況下最好能夠有更多的選擇,。GE Additive于2021年推出了一款滿足高溫和抗蠕變應(yīng)用的3D打印鈦合金Ti-6242，與其他鈦合金的主要區(qū)別在于該材料的機(jī)械性能能夠滿足高溫和抗蠕變應(yīng)用,。它具有高機(jī)械強(qiáng)度,、可焊性、高溫穩(wěn)定性和高達(dá)500-550°C的抗蠕變性,。其他常見的鈦合金,，尤其是Ti6Al4V，工作溫度通常為350°C,，因此Ti-6242能夠在更高溫度下工作,。同年3月份，意大利BEAMIT集團(tuán)宣布開發(fā)出適用于鈦合金Ti6242的增材制造工藝,。該公司還表示,，Ti6242可用于制造賽車和航空應(yīng)用部件，且性能優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)加工的合金,。

△Ti6242顯微組織

在國內(nèi),，鉑力特也推出了一種具有高比強(qiáng)度、抗氧化性,、無磁性以及優(yōu)異高溫力學(xué)性能的Ti2AlNb材料,。它是最具潛力的航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)用材料之一，適合用于制造熱端部件的新型輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu),。該材料雖強(qiáng)度高,，但延伸率較低，室溫下其脆性很大,，無法加工成具有精細(xì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜零件,，極大的限制了其廣泛應(yīng)用。SLM成形的Ti2AlNb材料與航空航天常用的SLM成形GH3536高溫合金材料相比,，在900℃下二者強(qiáng)度相當(dāng),，但Ti2AlNb材料的密度僅為其64.5%。鉑力特開發(fā)的該款粉末產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)耐高溫特性,，同時(shí)面向增材制造的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜精細(xì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),。

5、肯納金屬公司推出用于粉末床3D打印的Stellite 21金屬材料

2021年4月7日,，美國肯納（Kennametal）公司推出了首款符合激光粉末床增材制造技術(shù)要求的Stellite金屬粉末,。Stellite 21是肯納公司增材制造粉末產(chǎn)品組合的最新成員，據(jù)說具有鈷鉻合金獨(dú)特的耐腐蝕和耐磨性能,，其他產(chǎn)品組合還包括Delcrome 17-4和Delcrome 316L粉末,。

肯納公司相信，經(jīng)過優(yōu)化的Stellite 21增材制造粉末將適用于發(fā)電,、石油和天然氣行業(yè)中的高性能耐磨部件,。他們還表示這種材料適用于流量控制應(yīng)用，可以集成到復(fù)雜的設(shè)計(jì)中,，以減輕氣蝕,、侵蝕或腐蝕故障。Stellite粉末的組成特點(diǎn)是鈷鉻鉬合金基體含有分散的硬質(zhì)碳化物,，有助于加強(qiáng)合金,，增加其硬度并降低其延展性。據(jù)說這種材料還表現(xiàn)出優(yōu)異的抗腐蝕,、抗熱震和抗機(jī)械沖擊能力,。

△肯納公司Stellite 21 AM粉末

6、西普曼發(fā)布鉭,、鎢等難熔金屬3D打印材料的解決方案

2021年9月9日,，西普曼在深圳國際會(huì)展中心舉辦的首屆Formnext + PM South China展會(huì)上，發(fā)布了鉭,、鎢等難熔金屬球形粉末的先進(jìn)制造解決方案（GA）,。南極熊了解，金屬鎢（熔點(diǎn)為3410度）的高熔點(diǎn)和高硬度的特點(diǎn),，使得鎢制品加工非常困難,，隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，鎢制品及零件將在化工,、軍事,、國防、醫(yī)療,、核電等領(lǐng)域迎來新的以及便捷的應(yīng)用機(jī)會(huì),。而作為3D打印原料的球形鎢粉，以及同屬難熔金屬的鉭,、鈮,、鉬、釩等金屬或合金球形粉末,，首先將會(huì)是難熔金屬3D打印必須跨過的一個(gè)門檻,。

沒有延用化學(xué)法以及等離子法等常規(guī)制備方法，西普曼增材科技（北京）有限公司另辟蹊徑,，經(jīng)過近2年的探索,，于2021年3月16日完成了氣氛環(huán)境下金屬鎢（純度99.95%）的正常熔化滴落。同年9月份,，西普曼公司寧夏工廠使用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格棒料,，采用“惰性氣體高壓霧化技術(shù)”成功生產(chǎn)出了達(dá)標(biāo)的球形鎢粉（純度99.95%）,、球形鉭粉（5200）。氣霧化技術(shù)實(shí)質(zhì)是利用高壓惰性氣體破碎難熔金屬熔滴或液流,，而得到球形液滴顆粒,，冷卻后得到難熔金屬球形粉末，粉末具有氣霧化粉末的典型特征,。

西普曼走出了一條難熔金屬球形粉末制備“理論,、技術(shù)、設(shè)備,、工藝,、產(chǎn)品”創(chuàng)新的路子。采用氣霧化方法,，設(shè)備操作簡(jiǎn)單,，產(chǎn)品純度高，氣霧化粉末已成熟運(yùn)用于3D打印領(lǐng)域,，可進(jìn)行批量生產(chǎn),。通過一系列生產(chǎn)實(shí)踐，西普曼公司目前已形成從設(shè)備到技術(shù)的兩項(xiàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán),。

7,、EOS突破適用于3D打印的新型耐熱鋁合金材料

當(dāng)前，市場(chǎng)對(duì)具有特殊性能的鋁合金需求越來越旺盛,，如耐高溫,、高強(qiáng)度、高韌性鋁合金,，在兵器,、船舶、航空,、航天,、汽車等行業(yè)中具有廣泛的需求。但傳統(tǒng)的鋁合金材料難以滿足這些領(lǐng)域內(nèi)耐高溫,、高比強(qiáng)等苛刻要求,，開發(fā)符合高溫服役條件的耐高溫鋁合金具有良好的發(fā)展前景。

2021年11月,，EOS推出了一種新型鋁合金材料Al 2139AM,，該合金專為增材制造而設(shè)計(jì)，可在高達(dá)200oC的高溫下提供卓越性能,，據(jù)說是EOS推出的強(qiáng)度最高的3D打印鋁合金,，超過了目前市場(chǎng)上的許多類似材料。這種材料可以使用單步熱處理工藝，EOS說這種工藝可以為企業(yè)節(jié)省高達(dá)88%的主動(dòng)熱處理時(shí)間,。經(jīng)過熱處理后,，Al2139 AM可達(dá)到約500Mpa的屈服和抗拉強(qiáng)度，部件可以進(jìn)行電拋光和陽極氧化處理,。新材料將于2022年初用于EOS M 290平臺(tái),，其他EOS DMLS系統(tǒng)也將隨之推出。改進(jìn)的強(qiáng)度特性為客戶帶來了新機(jī)遇,，可以在不影響強(qiáng)度的情況下顯著減輕零件重量。

△EOS新推出的鋁Al2139 AM 3D打印的輪架（來源：EOS）

同年12月,，國內(nèi)陜西興華業(yè)也開發(fā)出一款擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的耐高溫,、高強(qiáng)、高韌3D打印鋁合金AK09系列,，該材料在350℃條件下具有顯著的高溫性能,，抗拉強(qiáng)度達(dá)到200MPa，屈服強(qiáng)度200MPa,，延伸率11%,。通過前期研發(fā)試制，該材料性能穩(wěn)定,，目前已開始小批量生產(chǎn)交付,。

8、清華大學(xué)劉靜團(tuán)隊(duì)開發(fā)出可用于立體功能電子快速制造液態(tài)金屬“墨水”

傳統(tǒng)的3D打印主要基于塑料,、聚合物一類的材料,，由此打印出的物件一般并不具備電子功能，而經(jīng)典的金屬3D打印針對(duì)的是高熔點(diǎn)金屬粉末或線材,，它們與非金屬材料由于存在巨大熔點(diǎn)差而難以實(shí)現(xiàn)復(fù)合打印,。近年來，隨著液態(tài)金屬印刷電子學(xué)的發(fā)展,，以低熔點(diǎn)金屬鎵為基礎(chǔ)的室溫液態(tài)金屬合金材料逐漸進(jìn)入人們視野,，在柔性電子、智能機(jī)器等領(lǐng)域得到廣泛研究和應(yīng)用,。

看到3D打印電子設(shè)備存在的局限性,，清華大學(xué)劉靜教授帶領(lǐng)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)隱約意識(shí)到，在立體電子制造領(lǐng)域,，液態(tài)金屬有可能發(fā)揮其獨(dú)特的作用,。為實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)想，技術(shù)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn),，于2021年11月利用3D打印技術(shù)制作出一系列復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu),，并在這種立體結(jié)構(gòu)表面，覆蓋對(duì)液態(tài)金屬材料具有較高黏附性的高分子涂層，然后將其浸潤到液態(tài)金屬中,，從而實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬在立體結(jié)構(gòu)表面的附著,。

△轉(zhuǎn)印上鎵銦合金的樣品

△覆蓋液態(tài)金屬涂層的立體結(jié)構(gòu)在不同溫度下的可調(diào)控力學(xué)性能

該成果以“Spatially selective adhesion enabled transfer printing of liquid metal for 3D electronic circuits “為題發(fā)表在國際期刊Applied Materials Today，相應(yīng)探索為三維立體功能電子器件的快速制造開辟了一條重要而易于規(guī)�,；占暗膶�(shí)用技術(shù),。

9、陜西興華業(yè)三維耐高溫,、高強(qiáng),、高韌3D打印鋁合金材料AK09

陜西興華業(yè)三維科技通過對(duì)市場(chǎng)深度分析，通過3年潛心努力,，開發(fā)出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的耐高溫,、高強(qiáng)、高韌3D打印鋁合金材料AK09系列,。并與3D打印設(shè)備廠商北京易加三維深度合作,，經(jīng)過多次產(chǎn)品迭代，共同研發(fā)出針對(duì)該新型材料的專用金屬3D打印機(jī),，打印件的性能指標(biāo)如下：

室溫性能達(dá)到抗拉強(qiáng)度：500MPa,，屈服強(qiáng)度：420MPa，延伸率：17%,。
250℃高溫性能達(dá)到抗拉強(qiáng)度：290MPa,，屈服強(qiáng)度：280MPa，延伸率：18%,。
350℃高溫性能達(dá)到抗拉強(qiáng)度：200MPa,，屈服強(qiáng)度：200MPa，延伸率：11%,。

△室溫,、250℃高溫、350℃拉伸檢測(cè)報(bào)告

興華業(yè)公司前期通過研發(fā)試制,，材料性能穩(wěn)定,，目前已開始小批量生產(chǎn)交付。

10,、6K增材公司推出用于3D打印的新型難熔金屬粉末

6K增材公司憑借他們專有的UniMelt等離子系統(tǒng)生產(chǎn)新產(chǎn)品,，包括高價(jià)值金屬，如鎢,、錸和鈮基合金,。這些材料通常被用于高溫和高強(qiáng)度部件上，因此6K公司的新產(chǎn)品系列主要是瞄準(zhǔn)國防,、航空航天和醫(yī)療領(lǐng)域,。

6K的微波等離子體粉末生產(chǎn)工藝能夠?qū)C(jī)械加工的銑刀,、車刀和其他回收的廢料變成工業(yè)級(jí)的3D打印粉末�,；谶@一工藝,，該公司的UniMelt系統(tǒng)被用來生產(chǎn)一大批材料，如Onyx In718,、Onyx Ti64,、鐵合金、鈷基合金,、鎳超合金,、難熔金屬，甚至高溫陶瓷,。此外,，這套系統(tǒng)還具有高度精確的等離子體區(qū)域，零污染得優(yōu)點(diǎn),。

6K增材司總裁Frank Roberts表示："我們現(xiàn)在已經(jīng)可以將包括鉭、鈮和鉬在內(nèi)的全部耐火材料粉末進(jìn)行球化處理,，我們已經(jīng)準(zhǔn)備好幫助各組織推進(jìn)他們對(duì)這些材料的應(yīng)用,。"

鎢-錸粉末材料多被用于3D打印固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴的無損核心插件上，這一應(yīng)用主要依賴于該材料的高溫,、高強(qiáng)度特性,。此外，該公司還發(fā)現(xiàn)經(jīng)6K球化的鎢錸粉末在他們內(nèi)部的SLM 3D打印機(jī)上加工過程特別順利,。

總結(jié)

金屬3D打印材料的突破在拓展3D打印實(shí)用性方面發(fā)揮著很大的助力作用,，畢竟原料的重要性對(duì)于終端應(yīng)用的重要性是不言而喻的�,；貧w現(xiàn)實(shí),，一方面，如今的金屬3D打印在航空航天等關(guān)鍵部件應(yīng)用上尚不能完全替代傳統(tǒng)鍛件,，另一方面,，隨手可觸及的金屬3D打印對(duì)于日常大眾來講仍是不現(xiàn)實(shí)的。

遙望未來,，金屬3D打印技術(shù)走入各行各業(yè)還是任重道遠(yuǎn),，但是科技的發(fā)展，技術(shù)的突破,，需要我們不懈地努力,，攻堅(jiān)克難。金屬3D打印如何更好的實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域,、全球化,、生活化，已不再是不可實(shí)現(xiàn)的夢(mèng)想，我們也更期望看到更多的,、更富有創(chuàng)新的金屬3D打印材料以及相關(guān)技術(shù)的不斷突破,，讓這份美好早一點(diǎn)到來！