盤點：2021年全球重磅金屬3D打印材料新進展

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，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(shù)，而隨著電子移動性和導(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(yīng)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(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(shù)解決這個問題。在這里使用粘結(jié)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(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(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(shè)備建設(shè)及熱試，突破500kg級爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計、感應(yīng)線圈及進電傾轉(zhuǎn)機構(gòu)、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(shù)，單次投爐量可達500KG，大力推動國內(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(yīng)用開發(fā)。這兩個途徑一直引領(lǐng)著鋁在3D打印應(yīng)用中的普及。

2021年3月，ExOne和Desktop Metal同時宣布實現(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(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(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)異機械性能的零件而聞名，是當(dāng)前價值最高、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)別在于該材料的機械性能能夠滿足高溫和抗蠕變應(yīng)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(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(jié)構(gòu)。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(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)品可以實現(xiàn)耐高溫特性，同時面向增材制造的設(shè)計可以實現(xiàn)復(fù)雜精細和優(yōu)化設(shè)計結(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(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(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)出了達標(biāo)的球形鎢粉（純度99.95%）、球形鉭粉（5200）。氣霧化技術(shù)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(shù)、設(shè)備、工藝、產(chǎn)品”創(chuàng)新的路子。采用氣霧化方法，設(shè)備操作簡單，產(chǎn)品純度高，氣霧化粉末已成熟運用于3D打印領(lǐng)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(shè)備到技術(shù)的兩項知識產(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(lǐng)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(shè)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(quán)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(xué)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(fù)合打印。近年來，隨著液態(tài)金屬印刷電子學(xué)的發(fā)展，以低熔點金屬鎵為基礎(chǔ)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(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)團隊隱約意識到，在立體電子制造領(lǐng)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(gòu)想，技術(shù)團隊經(jīng)過多次實驗，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(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)模化普及的實用技術(shù)。

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(quán)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(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)出針對該新型材料的專用金屬3D打印機，打印件的性能指標(biāo)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(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)�機械加工的銑刀、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(zhǔn)備好幫助各組織推進他們對這些材料的應(yīng)用。"

鎢-錸粉末材料多被用于3D打印固體火箭發(fā)動機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(jié)

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(yīng)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(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(shù)走入各行各業(yè)還是任重道遠，但是科技的發(fā)展，技術(shù)的突破，需要我們不懈地努力，攻堅克難。金屬3D打印如何更好的實現(xiàn)多領(lǐng)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(guān)技術(shù)的不斷突破，讓這份美好早一點到來！

材料是源頭