盤點：2021年全球重磅金屬3D打印材料新進展

導讀：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,、國防軍工等高端領域中金屬材料占據(jù)了大頭,。伴隨著高端應用需求的不斷增長,，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，南極熊總結了2021年全球重磅金屬3D打印材料新進展,，它們的成功應用為汽車,、航空航天及電子器件等領域開辟了新道路。

1,、Digital Metal 推出用于粘結劑噴射的3D打印純銅粉末

純銅具有良好的延展性和導電性,，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)療上的應用開辟了新路徑。在增材制造中,，銅材料應用較晚,，但近年來呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢，尤其國防軍工領域銅合金增材制造應用不斷取得重要進展,，更促進了銅材料增材制造的發(fā)展,。一直以來，用純銅材料進行粘合劑噴射都是屬于全新的技術,，而隨著電子移動性和導熱性等快速增長領域?qū)︺~的應用需求的飆升，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,。這種材料以優(yōu)異的導熱性而聞名,，成為熱交換器、管道、發(fā)動機和電子產(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)部的一些測試應用對新型DM Cu粉末進行了實驗,。首先,，公司3D打印了一個喇叭波導天線，用于引導無線電波的波束,。像喇叭天線這樣的部件,，如果使用傳統(tǒng)技術制造，通常成本相當高,，而且可能只在專門的研究或航空航天項目中需要小批量制造,。因此，每個零件的成本可能會急劇上升,，Digital Metal可以通過3D打印技術解決這個問題,。在這里使用粘結劑噴射也有利于減輕重量，因為公司的工程師能夠選擇輕質(zhì)薄壁結構,，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)激光熔化的高導電率純Cu粉，并在電氣等領域取得重要應用,。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鋁合金材料制粉工藝
實現(xiàn)國產(chǎn)500kg級大容量智能化制粉裝備產(chǎn)業(yè)化應用

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；

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

完成VIGA500制粉設備建設及熱試，突破500kg級爐體結構設計,、感應線圈及進電傾轉(zhuǎn)機構,、熔煉坩堝材質(zhì)及成形烘烤工藝、長時大流量霧化噴嘴等多項前沿技術,，單次投爐量可達500KG,，大力推動國內(nèi)增材制造行業(yè)的應用發(fā)展。

3,、粘結劑噴射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）對鋁的加工帶來了很大的挑戰(zhàn)。但這導致了鋁方面的兩個獨立發(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)專門為壓鑄應用開發(fā),。這兩個途徑一直引領著鋁在3D打印應用中的普及,。

2021年3月，ExOne和Desktop Metal同時宣布實現(xiàn)了6061鋁合金粘結劑噴射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6061鋁，伸長率超過10％,，并具有相比鍛造6061鋁更高的屈服強度和極限抗拉強度,。ExOne則是通過與福特汽車公司合作實現(xiàn)的鋁合金粘結劑噴射3D打印技術的突破，雙方共同開發(fā)了這種用于鋁材的快速可靠粘結劑噴射3D打印和燒結的工藝,，該工藝可提供與壓鑄可比的性能,，燒結件的密度可達到99％。

△6061鋁發(fā)動機塊模型

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

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)異機械性能的零件而聞名，是當前價值最高,、應用最廣泛的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)別在于該材料的機械性能能夠滿足高溫和抗蠕變應用。它具有高機械強度,、可焊性,、高溫穩(wěn)定性和高達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用部件,，且性能優(yōu)于傳統(tǒng)技術加工的合金。

△Ti6242顯微組織

在國內(nèi),，鉑力特也推出了一種具有高比強度,、抗氧化性、無磁性以及優(yōu)異高溫力學性能的Ti2AlNb材料,。它是最具潛力的航空航天發(fā)動機用材料之一,，適合用于制造熱端部件的新型輕質(zhì)高溫結構。該材料雖強度高,，但延伸率較低,，室溫下其脆性很大，無法加工成具有精細結構的復雜零件,，極大的限制了其廣泛應用,。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℃下二者強度相當,，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)品可以實現(xiàn)耐高溫特性，同時面向增材制造的設計可以實現(xiàn)復雜精細和優(yōu)化設計結構,。

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用,，可以集成到復雜的設計中,，以減輕氣蝕、侵蝕或腐蝕故障,。Stellite粉末的組成特點是鈷鉻鉬合金基體含有分散的硬質(zhì)碳化物,，有助于加強合金，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展中心舉辦的首屆Formnext + PM South China展會上,，發(fā)布了鉭,、鎢等難熔金屬球形粉末的先進制造解決方案（GA）。南極熊了解,，金屬鎢（熔點為3410度）的高熔點和高硬度的特點,，使得鎢制品加工非常困難，隨著3D打印技術的發(fā)展,，鎢制品及零件將在化工,、軍事、國防,、醫(yī)療,、核電等領域迎來新的以及便捷的應用機會。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,，首先將會是難熔金屬3D打印必須跨過的一個門檻。

沒有延用化學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準規(guī)格棒料，采用“惰性氣體高壓霧化技術”成功生產(chǎn)出了達標的球形鎢粉（純度99.95%）,、球形鉭粉（5200）,。氣霧化技術實質(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,、設備、工藝,、產(chǎn)品”創(chuàng)新的路子,。采用氣霧化方法，設備操作簡單,，產(chǎn)品純度高,，氣霧化粉末已成熟運用于3D打印領域，可進行批量生產(chǎn),。通過一系列生產(chǎn)實踐,，西普曼公司目前已形成從設備到技術的兩項知識產(chǎn)權。

7,、EOS突破適用于3D打印的新型耐熱鋁合金材料

當前,，市場對具有特殊性能的鋁合金需求越來越旺盛，如耐高溫,、高強度,、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域內(nèi)耐高溫、高比強等苛刻要求,，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計,，可在高達200oC的高溫下提供卓越性能，據(jù)說是EOS推出的強度最高的3D打印鋁合金,，超過了目前市場上的許多類似材料,。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88%的主動熱處理時間,。經(jīng)過熱處理后,，Al2139 AM可達到約500Mpa的屈服和抗拉強度,，部件可以進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,，其他EOS DMLS系統(tǒng)也將隨之推出,。改進的強度特性為客戶帶來了新機遇，可以在不影響強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產(chǎn)權的耐高溫、高強,、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，抗拉強度達到200MPa,，屈服強度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,、清華大學劉靜團隊開發(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打印針對的是高熔點金屬粉末或線材,，它們與非金屬材料由于存在巨大熔點差而難以實現(xiàn)復合打印。近年來,，隨著液態(tài)金屬印刷電子學的發(fā)展,，以低熔點金屬鎵為基礎的室溫液態(tài)金屬合金材料逐漸進入人們視野，在柔性電子,、智能機器等領域得到廣泛研究和應用,。

看到3D打印電子設備存在的局限性，清華大學劉靜教授帶領的技術團隊隱約意識到,，在立體電子制造領域,，液態(tài)金屬有可能發(fā)揮其獨特的作用。為實現(xiàn)這一構想,，技術團隊經(jīng)過多次實驗,，于2021年11月利用3D打印技術制作出一系列復雜的立體結構，并在這種立體結構表面,，覆蓋對液態(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，從而實現(xiàn)液態(tài)金屬在立體結構表面的附著。

△轉(zhuǎn)印上鎵銦合金的樣品

△覆蓋液態(tài)金屬涂層的立體結構在不同溫度下的可調(diào)控力學性能

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)�,；占暗膶嵱眉夹g。

9,、陜西興華業(yè)三維耐高溫,、高強、高韌3D打印鋁合金材料AK09

陜西興華業(yè)三維科技通過對市場深度分析,，通過3年潛心努力,，開發(fā)出擁有自主知識產(chǎn)權的耐高溫、高強,、高韌3D打印鋁合金材料AK09系列,。并與3D打印設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)出針對該新型材料的專用金屬3D打印機，打印件的性能指標如下：

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

△室溫,、250℃高溫,、350℃拉伸檢測報告

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度部件上,，因此6K公司的新產(chǎn)品系列主要是瞄準國防、航空航天和醫(yī)療領域,。

6K的微波等離子體粉末生產(chǎn)工藝能夠?qū)C械加工的銑刀,、車刀和其他回收的廢料變成工業(yè)級的3D打印粉末。基于這一工藝,，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。

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行球化處理,，我們已經(jīng)準備好幫助各組織推進他們對這些材料的應用。"

鎢-錸粉末材料多被用于3D打印固體火箭發(fā)動機噴嘴的無損核心插件上,，這一應用主要依賴于該材料的高溫,、高強度特性。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打印機上加工過程特別順利,。

總結

金屬3D打印材料的突破在拓展3D打印實用性方面發(fā)揮著很大的助力作用，畢竟原料的重要性對于終端應用的重要性是不言而喻的,�,；貧w現(xiàn)實，一方面,，如今的金屬3D打印在航空航天等關鍵部件應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打印對于日常大眾來講仍是不現(xiàn)實的,。

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