當(dāng)前材料仍然是限制3D打印技術(shù)應(yīng)用的關(guān)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(tuán)隊(duì)這樣的用戶或技術(shù)開發(fā)團(tuán)隊(duì)，都試圖開發(fā)出更高性能的材料。實(shí)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(shù)開發(fā)新材料，而有些材料對(duì)于3D打印的工藝也會(huì)“非常挑剔”。

 

在總結(jié)2022年之前，3D打印技術(shù)參考先來回顧一下2021年本領(lǐng)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(shí)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(shù)以及應(yīng)用方面繼續(xù)發(fā)展，它們覆蓋了當(dāng)前主流的3D打印工藝以及航空航天、汽車、醫(yī)療等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)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(tuán)隊(duì)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(qiáng)度和耐用性，從而實(shí)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(qiáng)化合金，被命名為GRX-810，其在極端溫度下具有增強(qiáng)的機(jī)械性能。在約1000℃時(shí)，與當(dāng)前最先進(jìn)的材料相比抗壓斷裂強(qiáng)度翻倍、壓裂前拉伸/彎曲靈活性增強(qiáng)3.5倍、在高溫應(yīng)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(yīng)用環(huán)境下的零件，如飛機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的零件，它可以在達(dá)到斷裂點(diǎn)之前承受更嚴(yán)酷的條件。3D打印技術(shù)參考注意到，熱力學(xué)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(píng)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(yuǎn)超其他材料，是2022年最受關(guān)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(qiáng)度鋁合金，這是一種適用于SLM工藝的超高強(qiáng)度鋁合金粉末材料，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到620Mpa，斷裂延伸率8%，有望幫助解決航空航天等尖端應(yīng)用部門對(duì)輕質(zhì)高強(qiáng)材料的需求。

 

HT4251耐溫鋁合金，在250℃的高溫下，抗拉強(qiáng)度穩(wěn)定在264.5MPa、屈服強(qiáng)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(dǎo)熱鋁合金，熱導(dǎo)率超過200 W/(m·K，且抗拉強(qiáng)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(shè)計(jì)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(guān)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(shè)計(jì)，在不改變材料質(zhì)量或化學(xué)成分的情況下實(shí)現(xiàn)了關(guān)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(shì)。

 

 

Equispheres公司開發(fā)的防爆鋁合金

 

評(píng)選理由：鋁合金一直都是金屬3D打印領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵材料，在航空航天及汽車領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，以寶航為代表的高性能新材料的市場(chǎng)化無疑會(huì)推動(dòng)行業(yè)應(yīng)用的發(fā)展。

 

3. 一種熱膨脹樹脂3D打印工藝，將推動(dòng)泡沫制造領(lǐng)域重要?jiǎng)?chuàng)新

 

傳統(tǒng)制造泡沫市場(chǎng)面臨著許多挑戰(zhàn)——從限制設(shè)計(jì)的昂貴模具，到高昂的運(yùn)輸成本，再到特定泡沫設(shè)計(jì)中無法輕松調(diào)整的強(qiáng)度和肖氏硬度。3D打印技術(shù)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(shù)，開發(fā)了新型泡沫材料，能夠制造同時(shí)保持座椅預(yù)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(jìn)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(shí)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(jí)按照2-7倍持續(xù)擴(kuò)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(shí)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(jī)生產(chǎn)比打印機(jī)原始構(gòu)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(yùn)輸，用戶只需在組裝或使用時(shí)使其膨脹展開即可。FreeFoam材料預(yù)計(jì)將于2023年廣泛商用。

 

評(píng)選理由：這種新工藝允許3D打印機(jī)生產(chǎn)比打印機(jī)原始構(gòu)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(yùn)輸。對(duì)于泡沫制造，這是全新的工藝和材料；對(duì)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(biāo)準(zhǔn)的高粘度樹脂

 

2022年，3D打印機(jī)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(shù)，能夠處理比行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)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(jī)不同，它利用了一種特殊的機(jī)械系統(tǒng)，首先將樹脂層壓到薄膜上，然后該薄膜會(huì)被運(yùn)送到樹脂固化的構(gòu)建區(qū)域，再通過曝光實(shí)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(gè)樹脂槽）層壓和固化，因此可以加快打印時(shí)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(jié)構(gòu)——這是當(dāng)前樹脂3D打印市場(chǎng)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(gè)部件還是100個(gè)，VLM都能提供恒定的每層打印時(shí)間，從而具有極高的吞吐量。

 

評(píng)選理由：這種快速成膜和大表面積成型的結(jié)合使VLM成為市場(chǎng)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(shù)

 

電弧增材制造以金屬絲為原料、電弧作為熱源，可以進(jìn)行大尺寸金屬零件快速、高效制造。同時(shí)，基于該工藝的設(shè)備簡單、材料利用率高、成本更低。但3D打印技術(shù)參考根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，電弧增材制造過程以高溫液態(tài)金屬熔滴過渡的方式進(jìn)行，隨堆積層數(shù)的增加，堆積零件熱積累嚴(yán)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(shí)，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(jié)合強(qiáng)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(shù)的主要瓶頸。

 

 

COLLAR Hybrid（同軸激光電弧混合）加工頭結(jié)構(gòu)示意圖

 

為解決該問題，弗勞恩霍夫激光技術(shù)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(shù)，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(dòng)電弧金屬3D打印的應(yīng)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(huì)脫離，通過強(qiáng)制引導(dǎo)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(píng)選理由：弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所一直是激光技術(shù)和3D打印技術(shù)的高端研究機(jī)構(gòu)，電弧增材制造也越來越多的用于制造大尺寸構(gòu)件，這種新的對(duì)電弧的控制策略將減少其應(yīng)用障礙。

 

6. GE航空最新：合并150個(gè)零件，3D打印1米直徑高溫合金發(fā)動(dòng)機(jī)部件

 

10月，3D打印技術(shù)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(gè)零件合并為一個(gè)，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(shí)間也從九個(gè)多月減少到兩個(gè)半月，顯示出巨大的成本、重量和時(shí)間節(jié)省。

 

 

評(píng)選理由：GE Additive最具代表性的技術(shù)能力便是大范圍合并設(shè)計(jì)傳統(tǒng)零件，使其成為一個(gè)整體進(jìn)行3D打印制造。在過去幾年，該公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大量經(jīng)典案例，如知名的Leap發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴、GE Catalyst發(fā)動(dòng)機(jī)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(yīng)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(bào)到的該團(tuán)隊(duì)3D打印的最大尺寸合并零件，使零件合并與制造達(dá)到了新的規(guī)模。

 

7. Relativity Space升級(jí)3D打印技術(shù)，能水平打印超30米大型零件

 

2022年，使用先進(jìn)3D打印技術(shù)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(jī)，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(jī)可以水平移動(dòng)并能夠?qū)⒍喔饘俳z送入單個(gè)打印頭。前三代Stargate打印機(jī)的打印速度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，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(jī)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(dá)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(shí)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(jìn)一步降低，火箭的總體制造速度也將提升。

 

評(píng)選理由：新的Stargate采用先進(jìn)的“感知技術(shù)”，將計(jì)算機(jī)視覺、傳感器和遙測(cè)技術(shù)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(dòng)、機(jī)器學(xué)習(xí)來創(chuàng)建更復(fù)雜和更大的金屬零件，使該行業(yè)實(shí)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(shè)，引廣泛關(guān)注

 

中國采用3D打印建設(shè)大壩的項(xiàng)目，在2022年獲得了國內(nèi)外的廣泛報(bào)道。3D打印技術(shù)參考查詢到了與該項(xiàng)目相關(guān)的一篇論文——《大型填筑工程3D打印技術(shù)與應(yīng)用》，作者為劉天云副研究員，也就是羊曲大壩項(xiàng)目的首席科學(xué)家。文章指出，將人工智能、工程裝備、工程技術(shù)與工程科學(xué)深度交叉融合，實(shí)現(xiàn)填筑工程智能建造的+3D打印技術(shù)時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。

 

 

研究團(tuán)隊(duì)已研發(fā)了多種人工智能機(jī)器人協(xié)同作業(yè)的填筑工程+3D打印裝備技術(shù)系統(tǒng)，并開展了多項(xiàng)示范工程實(shí)踐。羊曲水電站從2021年12月26號(hào)開工，預(yù)計(jì)到2024年完工。新技術(shù)的使用能夠使人們擺脫繁重、重復(fù)和危險(xiǎn)的工作。

 

評(píng)選理由：將3D打印技術(shù)概念運(yùn)用到如此大型的工程建設(shè)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(jié)，可實(shí)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(shù)進(jìn)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(fù)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(jìn)行粉末選擇性沉積。在打印的過程中，不同的打印頭會(huì)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(gè)構(gòu)建室放入燒結(jié)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(jié)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(fù)使用。

 

評(píng)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(shí)，也為高反射金屬的3D打印帶來了機(jī)遇。包括銅以及鎢和鉬這些難熔金屬，往往會(huì)反射激光束，但在燒結(jié)時(shí)不會(huì)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(jié)過程中發(fā)生熔滲。3D打印與傳統(tǒng)粉末冶金相結(jié)合，為制造帶來了更多可能性。

 

10. 混合DLP-SLA技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效率、高精度3D打印

 

10月，阿姆斯特丹大學(xué)同意將混合立體光刻技術(shù)授權(quán)給數(shù)字光處理 (DLP) 3D 打印機(jī)制造商atum3D。這種混合工藝結(jié)合了面曝光和立體光刻技術(shù)，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(shù)可用于滿足醫(yī)療研發(fā)需求，創(chuàng)建具有臨床研究應(yīng)用的組織支架或微流體設(shè)備。 

 

在技術(shù)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(shí)現(xiàn)微觀特征，用戶可以在這些層中部署預(yù)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(fù)特征的部件。到目前為止，工程師已利用這項(xiàng)技術(shù)成功地建立了一個(gè)概念驗(yàn)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(shù)與Axtra3D于去年推出的HPS技術(shù)可能有所不同。

 

評(píng)選理由：該技術(shù)將高效率和高精度結(jié)合在一起，可能會(huì)增加應(yīng)用的機(jī)會(huì)并開辟新的應(yīng)用空間。

 

11. 其他項(xiàng)目

 

寶馬集團(tuán)IDAM金屬3D打印推進(jìn)計(jì)劃成功實(shí)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(jì)劃每年至少批量生產(chǎn)50,000個(gè)組件和10000個(gè)零配件用于汽車生產(chǎn)，同時(shí)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(jié)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(dǎo)致殘余應(yīng)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(jié)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(jí)3D打印領(lǐng)域取得突破，推出了針對(duì)Pro3系列3D打印機(jī)的Hyper Speed高速升級(jí)套裝。

 

BASF突破了陶瓷隔離薄層3D打印技術(shù)，用于金屬絲材擠出工藝，使支撐不會(huì)直接粘連零件，從而使基于燒結(jié)的金屬3D打印零件能夠快速去除支撐。

 

華科團(tuán)隊(duì)在3D打印多領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

 

華科在3D打印研究方面具有領(lǐng)先地位，3D打印技術(shù)參考注意到，華科史玉升教授在PEEK激光燒結(jié)設(shè)備研制與臨床應(yīng)用以及SiC粉末床3D打印成套技術(shù)方面取得了重要進(jìn)展；華科丁烈云院士團(tuán)隊(duì)在月球基地3D打印方面則實(shí)現(xiàn)了“從0到1”的重大突破。

 

iCLIP新技術(shù)，將CLIP技術(shù)的3D打印速度再提高10倍

 

斯坦福大學(xué)的研究人員提出了一種新的被稱為iCLIP的新技術(shù)，在Carbon提出的CLIP技術(shù)的基礎(chǔ)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(shí)打印。

 

END

 

需要注意的是，3D打印技術(shù)參考盡力總結(jié)那些已經(jīng)離開實(shí)驗(yàn)室并取得實(shí)際應(yīng)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(jìn)一步提升3D打印工藝的實(shí)用性。

 

這些盤點(diǎn)中，絕大多數(shù)的新工藝和新材料已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，并大有改變相應(yīng)領(lǐng)域制造模式和極大提高產(chǎn)品性能的趨勢(shì)。在應(yīng)用方面，由于應(yīng)用的快速發(fā)展使極具代表性的案例評(píng)選變得困難，但本文所述的應(yīng)用仍然具有代表性。這是因?yàn)榇笠?guī)模集成化制造，大尺寸、超大重量級(jí)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(shù)在新的一年將會(huì)有更多精彩。