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嘉峪檢測網(wǎng) 2023-04-03 22:17
當前材料仍然是限制3D打印技術應用的關鍵因素，無論是專門的材料開發(fā)商還是如NASA或北航王華明教授團隊這樣的用戶或技術開發(fā)團隊，都試圖開發(fā)出更高性能的材料。實際上，研究人員已經(jīng)不僅僅在開發(fā)適合于3D打印成型的材料，也在利用3D打印技術開發(fā)新材料，而有些材料對于3D打印的工藝也會“非常挑剔”。
在總結2022年之前，3D打印技術參考先來回顧一下2021年本領域在工藝和材料方面取得的突破，它包括誕生了一批耐熱鋁合金、耐高溫樹脂及耐高溫尼龍粉末等新材料，還實現(xiàn)了鋁合金、銅合金等更多成形工藝突破。2022年，工藝、材料技術以及應用方面繼續(xù)發(fā)展，它們覆蓋了當前主流的3D打印工藝以及航空航天、汽車、醫(yī)療等多個應用領域。
1. NASA一種新型3D打印合金，將性提升1000倍
4月12日，NASA官網(wǎng)刊發(fā)消息，研究團隊新開發(fā)出一種新型適用于3D打印的高性能合金，能顯著提高航空和太空探索系統(tǒng)中零件的強度和耐用性，從而實現(xiàn)更好、更持久的性能。
使用3D打印制造的ODS合金
該新材料是一種氧化物彌散強化合金，被命名為GRX-810，其在極端溫度下具有增強的機械性能。在約1000℃時，與當前最先進的材料相比抗壓斷裂強度翻倍、壓裂前拉伸/彎曲靈活性增強3.5倍、在高溫應力下的耐久性超過1000倍。NASA指出，這種新合金可用于制造航空航天高溫應用環(huán)境下的零件，如飛機和火箭發(fā)動機內(nèi)部的零件，它可以在達到斷裂點之前承受更嚴酷的條件。3D打印技術參考注意到，熱力學建模和3D打印為開發(fā)這一具有突破性能的新型高溫合金發(fā)揮了重要作用。
評選理由：這款新的金屬3D打印材料所帶來的性能提升和影響力遠超其他材料，是2022年最受關注的新材料之一。
2. 多款高性能鋁合金
寶航公司發(fā)布了多款高性能鋁合金
HS5601超高強度鋁合金，這是一種適用于SLM工藝的超高強度鋁合金粉末材料，其抗拉強度達到620Mpa，斷裂延伸率8%，有望幫助解決航空航天等尖端應用部門對輕質(zhì)高強材料的需求。
HT4251耐溫鋁合金，在250℃的高溫下，抗拉強度穩(wěn)定在264.5MPa、屈服強度穩(wěn)定在198.5MPa，延伸率穩(wěn)定在15%，表現(xiàn)出了優(yōu)異的耐溫性能。
HC 200雙兩百高導熱鋁合金，熱導率超過200 W/(m·K，且抗拉強度高于200MPa，特別適用于新型散熱器（尤其是微通道散熱器）的設計和開發(fā)。
寶航公司發(fā)布多款高性能鋁合金
一種用于3D打印的防爆鋁合金粉末
2022年，Equispheres公司開發(fā)了一種用于增材制造的不易爆的鋁合金粉末，可減少與3D打印材料的日常處理相關的危害。
這種新材料被命名為NExP-1，專為鋁合金部件的生產(chǎn)打印而設計，在不改變材料質(zhì)量或化學成分的情況下實現(xiàn)了關鍵的安全特性。在打印方面，這種材料的性能與其他鋁粉一樣，但它具有不易爆炸和不易燃的外優(yōu)勢。
Equispheres公司開發(fā)的防爆鋁合金
評選理由：鋁合金一直都是金屬3D打印領域應用的關鍵材料，在航空航天及汽車領域有廣泛應用，以寶航為代表的高性能新材料的市場化無疑會推動行業(yè)應用的發(fā)展。
3. 一種熱膨脹樹脂3D打印工藝，將推動泡沫制造領域重要創(chuàng)新
傳統(tǒng)制造泡沫市場面臨著許多挑戰(zhàn)——從限制設計的昂貴模具，到高昂的運輸成本，再到特定泡沫設計中無法輕松調(diào)整的強度和肖氏硬度。3D打印技術參考注意到，Desktop Metal于2022年展示了其在泡沫3D打印方面的創(chuàng)新，采用子公司Adaptive 3D發(fā)明的彈性體3D打印技術，開發(fā)了新型泡沫材料，能夠制造同時保持座椅預期性能和舒適度的輕型汽車和卡車泡沫座椅。
自由泡沫加熱膨脹過程
采用FreeFoam樹脂和ETEC Xtreme 8K DLP系統(tǒng)進行3D打印，部件可以在大約160-170°C的烘箱中通過短暫加熱循環(huán)實現(xiàn)按需膨脹。打印部件包含分散的熱活化發(fā)泡劑，可在材料內(nèi)部形成閉孔。這種高度可控的工藝使FreeFoam樹脂能夠根據(jù)樹脂的等級按照2-7倍持續(xù)擴大打印尺寸，從而在所需的公差范圍內(nèi)制造最終部件，同時可以調(diào)整想要的柔軟度或硬度。這種新工藝允許3D打印機生產(chǎn)比打印機原始構建區(qū)域更大的最終泡沫部件，并使泡沫產(chǎn)品能夠以緊湊的尺寸運輸，用戶只需在組裝或使用時使其膨脹展開即可。FreeFoam材料預計將于2023年廣泛商用。
評選理由：這種新工藝允許3D打印機生產(chǎn)比打印機原始構建區(qū)域更大的最終部件，并使泡沫產(chǎn)品能夠以緊湊的尺寸運輸。對于泡沫制造，這是全新的工藝和材料；對于3D打印，這也是一種全新的展現(xiàn)形式。
4. 一種新型光固化3D打印工藝，能夠處理50倍于標準的高粘度樹脂
2022年，3D打印機制造商BCN3D推出了一種新型的高粘度樹脂立體光刻制造Viscous Lithography Manufacturing(VLM)技術，能夠處理比行業(yè)標準高50倍的高粘度樹脂，獲得了3倍于剛性材料的抗沖擊性和200%的扛撕裂強度增量。這種工藝的特殊性完全不同于此前的打印方法，為處理高粘度樹脂創(chuàng)造了條件。
高粘度樹脂層壓與打印過程
VLM與大多數(shù)其他LCD 3D打印機不同，它利用了一種特殊的機械系統(tǒng)，首先將樹脂層壓到薄膜上，然后該薄膜會被運送到樹脂固化的構建區(qū)域，再通過曝光實現(xiàn)切片層的成型。由于VLM樹脂可以在兩種不同的薄膜上（左右兩個樹脂槽）層壓和固化，因此可以加快打印時間，甚至可以將兩種樹脂組合用于多材料部件和可溶性支撐結構——這是當前樹脂3D打印市場上未曾見到的功能。通過使用UV燈和LCD屏幕，無論一次打印1個部件還是100個，VLM都能提供恒定的每層打印時間，從而具有極高的吞吐量。
評選理由：這種快速成膜和大表面積成型的結合使VLM成為市場上使用高粘性樹脂的最高效的增材制造解決方案。
5. 弗勞恩霍夫新工藝丨電弧+激光混合金屬3D打印技術
電弧增材制造以金屬絲為原料、電弧作為熱源，可以進行大尺寸金屬零件快速、高效制造。同時，基于該工藝的設備簡單、材料利用率高、成本更低。但3D打印技術參考根據(jù)相關文獻，電弧增材制造過程以高溫液態(tài)金屬熔滴過渡的方式進行，隨堆積層數(shù)的增加，堆積零件熱積累嚴重、散熱條件差、熔池過熱、難于凝固、堆積層形狀難于控制。特別在零件邊緣堆積時，由于液態(tài)熔池的存在，使得零件的邊緣形態(tài)與成形尺寸的控制變得更加困難。這些問題都直接影響零件的冶金結合強度、堆積尺寸精度和表面質(zhì)量。由此可見，成形形貌的控制是金屬零件增材制造技術的主要瓶頸。
COLLAR Hybrid（同軸激光電弧混合）加工頭結構示意圖
為解決該問題，弗勞恩霍夫激光技術研究所在今年開發(fā)了一種將電弧增材制造和激光沉積融合在一起的混合金屬3D打印技術，這種被稱為COLLAR Hybrid的工藝能夠提高焊接速度、獲得更優(yōu)的表面質(zhì)量并推動電弧金屬3D打印的應用。在新工藝中， 研究人員使用同軸定向的環(huán)形激光束包圍電弧，使其不會脫離，通過強制引導它來提高精度。研究發(fā)現(xiàn)，新工藝的材料沉積效率最高可提高150%，相比電弧沉積速度提高了一倍，零件表面質(zhì)量也顯著改善，所需要的后處理也大大減少。
評選理由：弗勞恩霍夫激光技術研究所一直是激光技術和3D打印技術的高端研究機構，電弧增材制造也越來越多的用于制造大尺寸構件，這種新的對電弧的控制策略將減少其應用障礙。
6. GE航空最新：合并150個零件，3D打印1米直徑高溫合金發(fā)動機部件
10月，3D打印技術參考注意到，GE 航空采用GE Additive的粉末床激光熔融裝備3D打印了直徑1米的In718高溫合金航空部件，這是該公司使用金屬3D打印工藝制造的尺寸最大航空航天零件之一。通過將150多個零件合并為一個，采用3D打印代替?zhèn)鹘y(tǒng)鑄造，使零件的質(zhì)量和成本降低了30%，交貨時間也從九個多月減少到兩個半月，顯示出巨大的成本、重量和時間節(jié)省。
評選理由：GE Additive最具代表性的技術能力便是大范圍合并設計傳統(tǒng)零件，使其成為一個整體進行3D打印制造。在過去幾年，該公司已經(jīng)實現(xiàn)了大量經(jīng)典案例，如知名的Leap發(fā)動機燃油噴嘴、GE Catalyst發(fā)動機中框組件與燃油加熱器等。大量合并零件將帶來提高部件壽命、縮短供應鏈、減少成本等在內(nèi)的大量的改變。本年度3D打印的1米直徑高溫合金部件，是迄今為止已報到的該團隊3D打印的最大尺寸合并零件，使零件合并與制造達到了新的規(guī)模。
7. Relativity Space升級3D打印技術，能水平打印超30米大型零件
2022年，使用先進3D打印技術制造火箭的民營航天公司Relativity Space宣布推出其第四代Stargate 3D打印機，其完全不同于此前常見的垂直方向打印和主流成型尺寸的裝備類型。
第四代系統(tǒng)“克服了傳統(tǒng)的打印限制”，打印機可以水平移動并能夠?qū)⒍喔饘俳z送入單個打印頭。前三代Stargate打印機的打印速度已經(jīng)遠遠超過了行業(yè)標準，Stargate 4的打印速度比上一代快7-12倍。Stargate 4消除了影響3D打印機垂直打印高度的天花板限制。通過水平打印，能夠生產(chǎn)長達120英尺（約36.5m）、寬24英尺（約7.3m）的零件，打印體積容量是之前第三代產(chǎn)品的55倍。同時需要注意的是，更大的打印尺寸，意味著可以合并更多的零件，火箭的零件組成數(shù)量將進一步降低，火箭的總體制造速度也將提升。
評選理由：新的Stargate采用先進的“感知技術”，將計算機視覺、傳感器和遙測技術相結合，以實現(xiàn)實時過程監(jiān)控。這種自上而下的3D打印生產(chǎn)方法，利用軟件驅(qū)動、機器學習來創(chuàng)建更復雜和更大的金屬零件，使該行業(yè)實現(xiàn)了前所未有的創(chuàng)新以及顛覆性發(fā)展。
8. 3D打印用于青藏高原水電站建設，引廣泛關注
中國采用3D打印建設大壩的項目，在2022年獲得了國內(nèi)外的廣泛報道。3D打印技術參考查詢到了與該項目相關的一篇論文——《大型填筑工程3D打印技術與應用》，作者為劉天云副研究員，也就是羊曲大壩項目的首席科學家。文章指出，將人工智能、工程裝備、工程技術與工程科學深度交叉融合，實現(xiàn)填筑工程智能建造的+3D打印技術時機已經(jīng)成熟。
研究團隊已研發(fā)了多種人工智能機器人協(xié)同作業(yè)的填筑工程+3D打印裝備技術系統(tǒng)，并開展了多項示范工程實踐。羊曲水電站從2021年12月26號開工，預計到2024年完工。新技術的使用能夠使人們擺脫繁重、重復和危險的工作。
評選理由：將3D打印技術概念運用到如此大型的工程建設中，羊曲水電站的嘗試尚屬世界首例。
9. 金屬+陶瓷 | 一種基于燒結，可實現(xiàn)多材料3D打印一體成形的方法
不同于Xjet的納米材料噴射工藝，Grid Logic公司開發(fā)的是一種采用傳統(tǒng)粉末冶金技術進行多材料3D打印的工藝，可以在同一工作中3D打印金屬和陶瓷。其采用基于粉末的3D打印，沒有復雜的噴墨或激光系統(tǒng)，也沒有鋪粉裝置，而是使用擠出式3D打印頭進行粉末選擇性沉積。在打印的過程中，不同的打印頭會在所需要的位置施加不同的材料。打印完成后，將帶有所有粉末的整個構建室放入燒結爐中，金屬/陶瓷顆粒以傳統(tǒng)方式熔合在一起，支撐粉末在燒結過程中繼續(xù)支撐金屬和陶瓷材料，并在一定程度上可以重復使用。
評選理由：這種無熱量輸入的打印方式使加工高熵合金和磁性粉末更為容易，同時，也為高反射金屬的3D打印帶來了機遇。包括銅以及鎢和鉬這些難熔金屬，往往會反射激光束，但在燒結時不會造成這樣的困難。即使是需要非常高溫度才能熔化的陶瓷，也可直接使用該工藝，而無需漿料或其他中間材料形式。鋁、鋼、青銅也可以與其他金屬一起打印，并在燒結過程中發(fā)生熔滲。3D打印與傳統(tǒng)粉末冶金相結合，為制造帶來了更多可能性。
10. 混合DLP-SLA技術，實現(xiàn)高效率、高精度3D打印
10月，阿姆斯特丹大學同意將混合立體光刻技術授權給數(shù)字光處理 (DLP) 3D 打印機制造商atum3D。這種混合工藝結合了面曝光和立體光刻技術，能夠大規(guī)模生產(chǎn)具有高分辨率特征的部件。一旦商業(yè)化，該技術可用于滿足醫(yī)療研發(fā)需求，創(chuàng)建具有臨床研究應用的組織支架或微流體設備。
在技術層面，零件分層圖像的填充部分以低分辨率采用DLP面曝光成形，具有極高的效率；為了實現(xiàn)微觀特征，用戶可以在這些層中部署預定義的光掩模，甚至可以在層之間切換光掩模圖案，以創(chuàng)建具有重復特征的部件。到目前為止，工程師已利用這項技術成功地建立了一個概念驗證裝置，該裝置產(chǎn)生了特征尺寸小于10微米的零件，但理論上它的分辨率還可以更高。
該技術與Axtra3D于去年推出的HPS技術可能有所不同。
評選理由：該技術將高效率和高精度結合在一起，可能會增加應用的機會并開辟新的應用空間。
11. 其他項目
寶馬集團IDAM金屬3D打印推進計劃成功實施
通過將金屬3D打印集成到汽車行業(yè)傳統(tǒng)生產(chǎn)線中，IDAM計劃每年至少批量生產(chǎn)50,000個組件和10000個零配件用于汽車生產(chǎn)，同時保證零件的一致質(zhì)量并釋放目前極高的成本壓力。
鎢金屬開辟基于燒結的擠出3D打印工藝
純鎢采用基于激光的粉末床熔融工藝成形，易導致殘余應力并引起開裂且難以避免，鎢合金也難以在SLM成形過程中保證各成分的可控性。升華三維開發(fā)的擠出工藝和專有的鎢材料粒料為鎢金屬開辟了基于燒結的高性能零件3D打印解決方案。
Raise3D、BASF新突破
Raise3D在FFF專業(yè)級3D打印領域取得突破，推出了針對Pro3系列3D打印機的Hyper Speed高速升級套裝。
BASF突破了陶瓷隔離薄層3D打印技術，用于金屬絲材擠出工藝，使支撐不會直接粘連零件，從而使基于燒結的金屬3D打印零件能夠快速去除支撐。
華科團隊在3D打印多領域取得重要進展
華科在3D打印研究方面具有領先地位，3D打印技術參考注意到，華科史玉升教授在PEEK激光燒結設備研制與臨床應用以及SiC粉末床3D打印成套技術方面取得了重要進展；華科丁烈云院士團隊在月球基地3D打印方面則實現(xiàn)了“從0到1”的重大突破。
iCLIP新技術，將CLIP技術的3D打印速度再提高10倍
斯坦福大學的研究人員提出了一種新的被稱為iCLIP的新技術，在Carbon提出的CLIP技術的基礎上，將樹脂3D打印的速度又提高了10倍，還提高了可打印樹脂的粘度上限，并支持多種樹脂同時打印。
END
需要注意的是，3D打印技術參考盡力總結那些已經(jīng)離開實驗室并取得實際應用的突破，但又無法做到完全遵循這一原則。新工藝和新材料的發(fā)展旨在解決過去難以解決的問題，并進一步提升3D打印工藝的實用性。
這些盤點中，絕大多數(shù)的新工藝和新材料已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化，并大有改變相應領域制造模式和極大提高產(chǎn)品性能的趨勢。在應用方面，由于應用的快速發(fā)展使極具代表性的案例評選變得困難，但本文所述的應用仍然具有代表性。這是因為大規(guī)模集成化制造，大尺寸、超大重量級別的制造，更為宏觀的超大規(guī)模制造以及未來外星基地的建造，這些案例仍然鮮見。
記錄2022，展望2023，3D打印技術在新的一年將會有更多精彩。
來源：3D打印技術參考
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