3D打印進入主流制造技術的最新狀態(3)
銅合金
材料與激光器的發展推動銅合金3D打印
銅似乎不適合用于3D打印來加工，因為這種金屬容易直接反射3D打印機的激光束。銅金屬在激光熔化的過程吸收率低，激光難以持續熔化銅金屬粉末，從而導致成形效率低，冶金質量難以控制。
繼2016年和2017年，NASA 在馬歇爾太空飛行中心對3D打印的GRCop-84組件進行熱火試驗后，NASA的銅基和鎳基合金3D打印技術已經發展到這些技術所制造的零件通過熱火試驗。根據3D科學谷的市場觀察，多家制造企業在開發銅合金3D打印工藝。國內金屬3D打印企業鉑力特已在銅金屬激光成形領域取得了進展，研制出針對難熔金屬和高導熱、高反射金屬的3D打印工藝，實現了復雜流道的銅材料制造工藝，成功制備出3D打印銅合金尾噴管。
國際上，Aerojet Rocketdyne在火箭銅合金推力室3D打印領域取得的突破，為制造新一代RL10發動機帶來了可能性。3D打印銅合金推力室部件將替代以前的RL10C-1推力室部件。被替代的推力室部件是由傳統工藝制造的，由多個不銹鋼零件焊接而成，而3D打印的銅合金推力室部件則由兩個銅合金零件構成。
初創的航天企業Launcher 與合作伙伴3T、EOS 也開發了3D打印銅合金火箭發動機部件，3D打印技術的應用可以減少發動機零件數量，縮短開發時間，并且更加易于制造復雜功能集成的部件，Launcher 開發的3D打印銅合金（Cucrzr）發動機部件就集成了復雜冷卻通道，這一設計將使發動機冷卻效率得到提升。
關于銅的3D打印用激光器，根據IDTechEx Research 的《激光二極管與直接二極管激光器，2019-2029 年：技術、市場與預測》報告，過去 30 年來，激光二極管的平均功率顯著提升，而每瓦平均價格卻呈指數級下降。因此，激光二極管正在取代一些已有的激光和非激光技術，同時也使全新的光學技術成為可能。
2018 年，島津公司擬（日本）實現了其 BLUE IMPACT 藍光沖擊二極管激光器的商業化，。島津 450 納米藍色二極管激光器的一個關鍵應用是銅材料的 3D 打印。銅對藍色激光的吸收率很高，背反射的減少可以使加工過程變快，這對傳統的紅外激光器是一個嚴峻的挑戰。新研發的 3D 打印機可以用純銅粉高效打印物體。現有的 3D 打印機技術一般采用 CuCr1Zr 等銅合金來代替純銅。
鋁合金
開始越過發展門檻的鋁合金
SLM選區金屬熔化技術
鋁合金，由于其天然的輕量化特點，在工業制造領域占有重要的一席之地。根據SmarTech的預測，鋁合金占金屬3D打印中所有金屬粉末的消耗量（按體積計算）從2014年的5.1%逐漸提高到2026年的11.7%左右，鋁合金在汽車行業的10年復合增長率在51.2%。鋁合金材料的全球供應鏈似乎已經“越過門檻”，成為支持增材制造技術的下一代機遇。鋁合金的3D打印現在開始趕上鎳，鋼和鈦。
鋁硅AlSi12-鋁硅12是一種具有良好的熱性能的輕質增材制造金屬粉末。AlSi10Mg-硅/鎂組合帶來顯著的強度和硬度的增加。這種鋁合金適用于薄壁，復雜的幾何形狀的零件，是需要良好的熱性能和低重量場合中理想的應用材料。零件組織致密，有鑄造或鍛造零件的相似性。典型的應用包括汽車，航空航天和航空工業級的原型及生產零部件，例如換熱器這樣的薄壁零件。
壓鑄合金AlSi10Mg類似美國合金360,雖然這并不是一個被廣泛認可的高強度鑄造合金，但它已被證明通過適當的熱處理能夠產生相當高的強度，3D科學谷了解到雖然這一事實也還備受爭議。但從廣義上講，這種合金可以通過標準的熱處理工藝，固溶處理后人工時效，稱為T6周期。溶液處理500°C以上， 4-12h，溫度不應超過550°C，其次是水或聚合物熔體淬火。人工老化溫度在155°C-165°C之間，時間6-24h，通過精確的時間和溫度控制最終性能。抗拉強度可以從220MPa到340MPa之間，抗拉屈服強度在180MPa和280MPa之間。其他合金包括169（A357）和AlSi7Mg。
此外，市場研究另外專有的合金如Scalmalloy已經被用于空客的增材制造應用中，這是一些令人興奮的進展。HRL實驗室的研究人員根據晶體學信息選擇了鋯基納米顆粒成核劑，并將它們組裝到了7075和6061系列鋁合金粉末中。在用成核劑進行功能化之后，這些先前與增材制造制造不相容的高強度鋁合金可以使用粉末床選擇性激光熔化設備進行成功的加工。成型后的材料無裂紋，等軸（即，其長度，寬度和高度上的晶粒大致相等），實現了細晶粒微觀結構，并與鍛造材料具有相當的材料強度。
根據中國日報，蘇州倍豐創始人、澳大利亞工程院吳鑫華院士領導莫納什大學研究團隊成功開發出了牌號為Al250C的高強高韌增材制造專用鋁合金材料，為3D打印鋁合金材料再添一名明星成員。Al250C是研究團隊專門為3D 打印設計的材料，已經達到了批產和商業化使用階段。Al250C材料強度達到目前可用于3D打印的鋁合金材料中最高水平，屈服強度可達580MPa，抗拉強度590MPa以上，延伸率可達11%，制備構件通過了250℃高溫下持續5000小時的穩定試驗， 相當于發動機常規服役25年的要求。
總部位于英國的鑄造專家Aeromet International專利的用于增材制造的鋁合金粉末A20X所制造的零件已經超過500MPa的極限拉伸強度（UTS）。Aeromet 稱，這一成就使的該鋁合金材料成為“市售的用于增材制造的最強鋁合金粉末之一”。A20X是一種鋁 – 銅合金材料，具有精細的微觀結構，與其他合金相比，具有“高的強度，抗疲勞和優化的熱性能。”目前已獲得金屬材料特性開發和標準化（MMPDS）和航空航天材料標準（AMS）的批準，該材料已被全球領先的航空鑄造供應商采用。
南京航空航天大學幾年前開發出基于SLM成形的鋁基納米復合材料，用于激光增材技術領域，有效的解決鋁基納米復合材料在激光增材過程中工藝性能與力學性能不匹配、增強顆粒分布不均勻以及陶瓷相與基材相之間潤濕性較差的問題，使得所獲得的產品具備良好的界面結合以及優異的力學性能。
粘結劑噴射間接金屬3D打印技術
上述的是通過SLM選區激光金屬熔化3D打印技術所加工鋁合金的發展情況。隨著鋁合金材料以及粘結劑技術的發展，通過粘結劑噴射間接金屬3D打印工藝實現鋁合金零部件增材制造具有了更高可行性。根據3D科學谷市場觀察，材料科學企業Equispheres 開發了一種適用于粘結劑噴射3D打印的新型鋁合金粉末。 Equispheres 與加拿大麥吉爾大學合作對AlSi10Mg鋁合金粉末進行了測試，觀察到 Equispheres標準AlSi10Mg鋁合金粉末具有無壓縮、亞固相燒結，以及具有良好的致密化（優于95％）和優異的微觀結構等特點，該材料能夠適用粘結劑噴射3D打印及其后處理中的燒結過程。
作為汽車制造中大量使用的鋁合金材料，一直以來難以搭上粘結劑噴射技術的順風船，以更低的成本和更高的效率實現汽車零部件增材制造。主要原因是粘結劑噴射3D打印工藝在完成打印后需要進行燒結后處理，在此過程中易導致鋁合金燃燒，這是粘結劑噴射3D打印進行鋁合金加工的一大挑戰。從這個角度來看，Equispheres 推出的可用于粘結劑噴射技術的鋁合金粉末則為該技術的應用打開了新空間。但粘結劑噴射3D打印鋁合金的機械性能與硬度能否滿足汽車零部件制造領域的要求，3D科學谷將保持關注。
3D打印砂型+鑄造
此外，3D打印砂型與鑄造的方式是生產鎂鋁合金的一種現實可行的方法。根據3D科學谷的市場觀察，國際上，關于鑄造在交通工具領域的輕量化應用，一個現實的例子是歐特克通過voxeljet-維捷的3D打印設備來制造熔模并鑄造鎂鋁合金，從而實現飛機座椅的輕量化。這種座椅結構件適合任何標準的商用噴氣式飛機，預計可以通過減重為航空公司節約數百萬美元的成本。
金剛石與硬質合金
金剛石
山特維克增材制造部門的研究人員通過立體光刻技術（SLA）開發了一種由金剛石粉末和聚合物組成的漿料，用于3D打印金剛石復合材料。該材料已經過測試并保持了純金剛石的物理特性。
山特維克開發了專有的后處理步驟，復合材料的硬度是鋼的三倍，導熱系數高于銅，密度接近鋁，從發電到采礦再到醫療植入物，各種各樣的行業都可以從3D打印金剛石中受益。
硬質合金
湖南伊澍智能制造有限公司研發了一種硬質合金材料增材制造-3D打印工藝，在這種工藝中，硬質合金-金剛石復合材料中的WC-Co硬質合金層和金剛石層通過3D打印的方式實現層與層之間的結合。這種結合是通過化學鍵方式所進行的結合，相比傳統的物理結合，這種結合方式更牢固，在使用過程中能夠避免涂層的剝落，同時具有較好的硬度。
湖南伊澍智能制造采用的增材制造工藝為基于粉末床熔融的電子束熔化（EBM）3D打印技術，并基于這一工藝開展了對WC-Co硬質合金層-金剛石復合材料組分以及材料增材制造工藝參數的研究。
材料的研究包括對WC-Co硬質合金中Co的質量含量、粒徑，金剛石材料的粒徑、純度，以及兩種材料的質量比等方面。在工藝參數方面，湖南伊澍智能制造探索了這種復合材料的3D打印參數，例如電子束熔化掃描的掃描速率、電流、熔化溫度等。
通過對以上工藝制造的樣件，能夠得到熱導系數為500～550W/mK，摩擦系數為0.3～0.5，熱膨脹系數為0.9～1.18×10-6，硬度值為4800～5000HV的硬質合金-金剛石復合材料，材料具有較好的硬度，沖擊韌性為300～320J，能夠很好的避免涂層的剝落。
(責任編輯：admin)
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