淺談粉末材料與金屬3D打印技術發(fā)展的關系

金屬3D打印技術自誕生之日起就與粉末材料有著密不可分的關系，可以說作為“基石”的金屬粉末很大程度上決定了金屬3D打印技術的成敗與好壞（盡管最終質量同時也受打印設備、工藝等因素的影響）。因此，金屬3D打印技術未來的發(fā)展前景也是與材料本身息息相關的，這就是為什么金屬增材制造想要在主流制造方式中占有一席之地，增材制造的材料科學領域就必須要跟著改進。好消息是，南極熊了解到目前已經(jīng)有多家公司正在努力推進材料技術，并且我們也看到了積極的相關成果。

Allegheny Technologies Inc.（ATI）就是這樣一家公司，它是金屬制造行業(yè)的領先者。這家公司總部位于匹茲堡，開發(fā)特種材料，并對其進行塑形加工以滿足客戶要求。ATI主要作為3D打印金屬零件公司的原材料供應商，同時它還為客戶打印金屬零件，這是2018年收購總部位于康涅狄格州的Addaero Manufacturing的成果，目前這家公司主要是作為航空航天和國防工業(yè)生產(chǎn)金屬部件的增材制造商。

特種金屬開發(fā)商Allegheny Technologies專注于改進金屬3D打印中使用的粉末。圖片來自ATI

ATI對3D打印的愿景是為了做出符合客戶標準的產(chǎn)品。ATI的增材制造總監(jiān)莫里森（Brian Morrison）說："我們制定了我們的戰(zhàn)略，并與支持我們在航空航天和國防領域發(fā)展的關鍵客戶群進行了共同投資�？蛻粢揽课覀�?yōu)樵霾闹圃焯峁┎牧霞夹g，同時我們也作為合作伙伴進行最終的零件生產(chǎn)。"必須提到的是，這家公司所擁有的完全集成化的AM供應鏈還包括零件精加工的步驟。

據(jù)莫里森說，3D打印吸引了ATI的航空航天和國防客戶，因為它能以幾種復雜的方式進行處理設計。其一是促進復雜部件的生產(chǎn)，這些部件用傳統(tǒng)方法很難，甚至不可能制造。他曾說過：“使用AM技術，我們的客戶可以跳出框框，自由設計出性能更好的部件"。

另一種方式是，3D打印允許使用復雜成分的合金，這些合金可能對于傳統(tǒng)的制造工藝屬于重大難題。一個例子是ATI所生產(chǎn)的一種叫做鈦鋁的中間合金。莫里森說："這是很難用任何傳統(tǒng)方式制造的，包括鍛造和加工。但它卻與增材制造技術非常契合，我們目前能夠提供生產(chǎn)航空級的零件。"

合金的進步

材料科學的最新進展是為參與金屬增材制造的人提供了更多更好的選擇。莫里森認為金屬增材制造技術本質上是微焊接工藝，但一些傳統(tǒng)的合金非常難以焊接。所以ATI對這些合金進行了小的改動，以改善它們的焊接性。

例如，該公司生產(chǎn)的一些高溫鎳基合金的合金含量很高，可能會導致打印件出現(xiàn)微裂紋。當材料快速冷卻時，這種裂紋會惡化，產(chǎn)生高的殘余應力。為了對付微裂紋，ATI對鎳合金中的碳和其他元素的含量做了些許改變。這些調整與3D打印參數(shù)的相應變化相結合，產(chǎn)生了高性能、低缺陷的零件。

當談到用于3D打印的金屬粉末時，ATI的增材制造高級主管、Addaero Manufacturing的創(chuàng)始人和前總裁梅里諾（RichardMerlino）補充道："下一個材料科學的前沿領域是回到原始配比上，縱觀現(xiàn)有的合金，這些合金在傳統(tǒng)產(chǎn)品形式中可能不受歡迎，但可以很好地用于增材制造，因為它們具有良好的焊接性和低殘余應力等特性。"

這方面的例子是GRCop材料，即最初由美國航空航天局開發(fā)的銅合金。莫里森將這種合金描述為具有耐高溫的導電材料，用于火箭噴嘴和燃燒部件等與太空有關的項目。他說，如今GRCop合金也被用于打印一些太空中應用的原型部件。

除了生產(chǎn)特殊材料外，ATI還打印高端航空航天和國防部件。圖為該公司的GE Additive Arcam EBM Q20 AM機器之一

另外，開發(fā)適合于AM的新合金也是優(yōu)先考慮的問題。Merlino表示他們公司正在研究的一種新型鈦合金，與傳統(tǒng)的TC4（3D打印中使用的主要鈦合金）相比，它會顯示出很廣闊的前景。

他解釋說：“在基于激光增材的設備中，TC4中積累的殘余應力會在打印過程中導致變形，這限制了可以制造的產(chǎn)品范圍。相比之下，正在開發(fā)的ATI合金在打印過程中具有更低的殘余應力，以及更高的強度和耐溫性。這使你能夠在鈦金屬中構建復雜的結構，而你無法用TC4材料構建�！�

此外，莫里森還指出了在開發(fā)鋁合金方面取得的進展，這些鋁合金在3D打印過程中運行良好，并提供比AlSi10Mg更好的性能，他稱AlSi10Mg是目前用于AM的 "主力 "鋁合金。將AlSi10Mg描述為一種低檔的鑄造合金，打印效果好，但在強度和延展性方面沒有什么優(yōu)勢。因此，與目前市場上的先進鋁合金相比，它迫使人們在設計上做出更多的妥協(xié)。他認為這些合金的性能比AlSi10Mg好得多，但打印效果不好。所以人們正在努力解決這個問題，并且正在取得進展。

材料成本優(yōu)勢

在努力使金屬AM成為一項主要的生產(chǎn)技術的過程中，一個不可規(guī)避的因素是金屬粉末的成本，據(jù)梅里諾說，他仍然經(jīng)營著他創(chuàng)立的、ATI收購的制造廠。Merlino表示："一般來說，我們在這方面沒有得到很多反饋。其中一個原因是，多年來材料的價格已經(jīng)下降了。此外，3D打印比傳統(tǒng)的制造方法更好地利用了材料。比方說，你有一個極其復雜的結構，可以進行機械加工。你可以從一個20磅的材料塊開始，最后得到一個1磅的零件。這并不罕見，特別是在航空航天和國防領域。因此，你通過購買傳統(tǒng)產(chǎn)品形式的材料所可能節(jié)省的費用都作為廢品消失了。"

莫里森說：”與機械加工不同，AM幾乎百分百利用了為一項工作購買的所有粉末，因為該工藝將零件打印成接近凈成形的形狀，任何剩余的粉末都用于后續(xù)零件。最后只有很小一部分被報廢了。

用鈦合金粉末3D打印的嵌套

大批量生產(chǎn)的難題

與金屬3D打印領域的其他公司一樣，ATI的金屬3D打印工作往往是小批量的零件生產(chǎn)運作。要使3D打印技術躍升為大批量制造方式，還需要做出一些事情。

首先，Merlino說：”工程師必須能夠更好地設計用于增材制造的產(chǎn)品。雖然有例外，但人們不一定知道如何設計以利用這項技術。這必須隨著時間的推移而做出改變，它將由大學里的學生和培訓項目來推動。"

此外，金屬3D打印機器的生產(chǎn)力必須提高。盡管Merlino看到了技術的進步和每立方英寸制造時間的下降，但他仍認為機器的速度不足以與鑄造競爭。

一名操作人員在后期處理過程中從3D打印的零件上清除粉末

至于金屬3D打印中與材料有關的進展，Morrision說ATI正在努力改進粉末霧化工藝，以提高生產(chǎn)能力和降低成本。一個目標是使粉末在沉積成非常薄的層時能更好地擴散開來。

那么，金屬3D打印是否會繼續(xù)作為小批量生產(chǎn)的有效選擇？Merlino并不這么認為。他認為這項技術最終將為打開一個新的利潤市場做好準備：即大批量生產(chǎn)高度復雜的零件，而這些零件實際上無法用其他方式制造。他表示對于這樣的零件，性能上的優(yōu)勢證明了用增材技術進行大批量制造是正確的，而這樣的應用案例也將越發(fā)普遍。

ATI最近在北卡羅來納州的門羅開設的個高溫合金粉末生產(chǎn)廠