全球增材制造产业四大“里程碑”

　　在全球各地的增材制造领域专业人士的共同努力下，增材制造技术得以快速发展，从而能够以“迅雷不及掩耳之势”广泛渗透各行各业。但作为其中最为关键且主流的一个领域，工业级3D打印技术对于现代制造业的发展可谓是越来越重要。在世界全球化的今天，谁能够第一时间掌握高端科技，谁就能够先发制人。

　　金属3D打印基础研究获突破

　　日前，来自美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的一个研究团队宣布，他们正在研究一项困扰着常见金属3D打印技术的重大问题。据悉，他们的发现将发表在8月份的《ActaMaterialia》，并有可能加快3D打印技术的应用。IboMathews是LLNL的一位首席研究员和这项研究项目的合著者。Mathews是在麻省理工学院（MIT）完成的实验性凝聚态物理博士学位，在随后的十年里他大部分时间都在著名的贝尔实验室里度过的。他拥有数项专利，其中包括激光诱导气体等离子加工等。他最近研究重点集中在一项使用很广泛的3D打印技术上，这项技术就是粉床融熔（PBF，powderbedfusion）。

　　据了解，基于PBF的3D打印技术在市场上有几种形式，比如EOS的直接金属激光烧结（DMLS）、Arcam的电子束熔融（EBM）、SLMSolutions的多光束选择性激光熔融（SLM）等。像Stratasys在其德州Austin的合同制造工厂里就有很多台DMLS机器。当这个增材制造研究项目开始的时候，Mathews就雄心勃勃地期望获得开创性的成果。他说这项研究“力求在基于金属的增材制造领域进行前所未有的更多、更详细的实验研究。”而该研究团队即将发表的文章也代表了他们在预测和最小化金属增材制造零部件无效缺陷和表面粗糙度方面的最新见解。

　　众所周知，在增材制造金属零部的过程中的快速加热和使用激光生成的高温能够提高零部件的强度，但是同样的工艺也可能导致空隙或毛孔，从而削弱该零部件。据天工社所知，这些缺陷的主要原因是金属粉末的不完全融化，或者强烈的汽化所导致的“锁眼型”熔化。激光功率、光束尺寸、扫描速度和开口间距（hatchspacing）——这些统称为扫描策略，是用于确定最终的孔隙度和孔隙的存在的所有变量。

　　与该研究相关的另外一个研究项目——LLNL的金属增材制造加速认证项目——负责人WayneKing评论说：“如果我们想要将零部件投入关键应用，那么它们就必须符合质量标准。我们的项目主要专注于在科学的基础上发展对于增材制造过程的理解，从而建立增材制造零部件质量的可信度。”King也是这一新论文的共同作者之一，并参与了该项目的算法开发以解决3D打印金属零部件的表面粗糙度、残余应力、孔隙和微裂缝等问题。这个项目是在2015年3月与通用电气（GE）合作开始的。AmericaMakes为此提供了54万美元的资金并且设定了18个月的成果交付时间。GE公司首席研究员BillCarter证实，该算法项目正在如期进行，其软件将会在今年9月提供给AmericaMakes成员。

　　一旦算法完成，他们将会在一种开源授权许可的条件之下将其公布出去。Matthews预期这将导致增材制造行业的更大飞跃。最终完成的软件模型将能够全面评估金属粉末是如何形成一个熔池及其在固化之前的所有行为。King说：“这些模型将使金属增材制造远离经验主义，并朝着更加科学的方向迈出一大步。”

　　首个高速金属增材制造系统诞生

　　3D打印制造个体以及低量生产定制产品的能力是该工艺很快适应大量行业和应用的原因之一。但是大规模生产仍然是相当便宜的，主要原因在与大量制造产品的效率很高。生产一个定制3D打印零件的时间内，通过传统制造工艺可以生产数百个甚至上千个零件。即使对于像牙科或医疗植入物这样的小零件，打印过程可能都需要几个小时，然后每个零件都需要单独处理，以去除多余的材料，刨光表面使之更光滑。

　　后期处理可能会增加几个小时的生产时间，因而需要花费更多时间来生产个体或小批量零件。虽然3D打印技术正在发展，有了更快的打印速度和更高的成品精度，但是金属零件的生产仍然是劳动密集型的。金属零件往往需要用一台完全不同的机器来打磨表面，如抛光轮或数控铣床。有许多例子说明了使用增材制造技术更有成效且更划算，但在大多数情况下，传统的制造工艺仍然是最好的。然而，一个技术公司联盟可能即将改变这种情况，这些公司由欧盟负责，旨在通过集成3D打印和表面处理技术来开发高性能生产线。

　　日前，一个被称为Hyproline的欧洲增材制造项目展示了他们的新型增材制造系统，该系统已被优化为适合小部件的高速生产。该系统可以使用316L不锈钢、钛金属或铜材料3D打印小批量或单独定制的金属部件，最终打印成功并去除多余的材料，然后从生产线上自动移走成品。这些企业被集合在一起进行Hyproline项目，这多亏了欧盟第七框架计划的研究与技术开发（FP7）所提供的为期三年的资助，该计划在2007年推出，旨在鼓励未来的企业发展。

　　“Hyproline的目的是建立一个高性能生产线的示范来发展小零件的3D打印技术，加上使用激光刨光的高速精整作业线，”MarkGammon解释说，他是Hyproline联盟的公司之一InternationalTechneGroup（ITI）的技术总监。Hyproline联盟是由荷兰的非营利组织NetherlandsOrganisationforAppliedScientificResearch（TNO）领导的，它和软件开发公司InternationalTechneGroup（ITI）有密切合作。ITI主要侧重于产品数据集成和用于Hyproline高速制造平台的互用性系统。金属增材制造材料公司H?gan?sDigitalMetal，研究与开发协会SwereaIVF，制造和机电一体化技术组织CCM和伯明翰大学也加入了联盟。该联盟从2012年至2015年期间工作，开发出一个高速生产线的工作原型，结合了金属粉末床3D打印，基于激光的表面和结构以及程序控制与计量的先进系统。

　　金属3D打印再获突破可溶性支撑成为现实

　　尽管在当下的3D打印领域，金属3D打印技术是一大热点。但是这一技术仍有诸多问题有待解决，其中之一就是其金属制成结构的去除非常麻烦，需要通过大量的机械加工（这可能损害部件）才能去除。不过，如今这一问题出现了有望解决的曙光。日前，研究人员们刚刚完成了一个可溶性碳钢结构的概念证明，这一结构是用来支撑3D打印不锈钢部件的。据悉，这是第一种可溶性金属支撑解决方案，在这个方案中，碳钢可以通过一种基于硝酸和氧气泡的电化学刻蚀技术去除掉——而且不会影响不锈钢。

　　这一显著的突破，被发表在了一篇名为《3D直接金属打印的可溶性金属支撑（DissolvableMetalSupportsfor3DDirectMetalPrinting）》的论文里，研究人员在论文中展示了一个带90度伸出结构的3D打印金属对象。作者们认为，这一突破将为重要的金属3D打印创新铺平道路。尤其是，他们认为该技术将大大减少后处理需要的工作量，从而提高金属3D技术创建非常复杂结构的能力。研究人员们称，真正的突破在于那些伸出的表面，这些地方需要支撑结构以尽量减少热变形。不幸的是，支撑结构都需要大量的机加工后处理来去除。在解决这一问题的时候，科学家们想到了一种常见的工艺——牺牲阳极。牺牲阳极通常用于保护重要部件不被电偶腐蚀，简单地说就是利用原电池的原理，消耗阳极（原电池的负极）的金属来保护阴极（原电池的正极）金属。

　　为此，科学家们设想通过类似的原理将更防化学腐蚀的结构材料（不锈钢、AISI-431）与具有较低耐化学性的牺牲金属Metco91碳钢结合起来，前者作为3D打印的主要材料，后者作为支撑材料，然后用硝酸溶液以牺牲阳极的办法去除支撑。“不锈钢具有优异的耐硝酸性，而碳钢迅速能够被硝酸化学溶解。”他们说。为了说明这个过程，他们使用一台带两个送粉器的OptomecLENSMR-73D打印机打印了一个用于概念验证的桥形对象，该机器使用的是一种直接能量沉积（DED）3D打印技术。

　　具体来说，他们3D印的钢对象，其中间的三分之一是由碳钢组成的，其它三面则由不锈钢组成（包括顶部）。3D打印后，该部件通过一种电化学蚀刻的方式被暴露在硝酸溶液中——最初没有氧气。但是，在实际操作中他们发现，刻蚀速度太慢，他们花了10个小时，碳钢的每一端才去除了1.4毫米。为此他们使用了氧气以加速这一过程，并且取得了显著的成果。“碳钢剩下的7毫米在6个小时内就被去除了。”研究人员们称。

　　就是这样一个小小的变动，使得可溶性支撑结构突然变得可行。“这种独一无二的方法为DED3D打印技术引入了一些新功能，显著减少了这一类型的3D打印金属部件所需要的后处理工作。”研发人员们称：“这些牺牲材料材料将使得DED和其他金属沉积系统能够借助可溶性的支撑来3D打印具有任意伸出结构的复杂形状。”事实上，他们相信，使用特定的化学溶液，这同样的原则可以适用于更广泛的金属和甚至氧化物。但是这种方法有几个必须满足的条件。“具体来说，牺牲阳极必须与零件材料具有冶金兼容性——它们必须有类似的晶体结构、类似的热导率，相似的热膨胀系数，并且应避免形成有害的金属间化合物。这种兼容性可以保证牺牲阳极和组件之间的接口具有足够的机械强度以应对金属3D打印过程中的极端热循环所引起的应力。”他们说。此外，还必须确定一种腐蚀性电解质，与部件材料相比，这种电解质能够以相当高的选择性（>100：1）来溶解牺牲阳极。”

　　航天科工三院306所增材制造获新成果

　　近日，中国航天科工三院306所技术人员成功突破TA15和Ti2AlNb异种钛合金材料梯度过渡复合技术，其采用激光3D打印试制出的具有大温度梯度一体化钛合金结构进气道试验件顺利通过了力热联合试验。

　　该技术成功融合了激光3D打印与梯度结构复合制造两种工艺，解决了传统连接方式（如法兰连接、焊接等工艺方法）带来的增重、密封性差和结构件整体强度刚度低等问题，为具有温度梯度结构的开发设计与制造开辟了新的研制途径；同时，开创了一种异种材料间非传统连接的制造模式，实现了结构功能一体化零部件的设计与制造。