2023年11月5日，應中國船級社（CCS）上海規(guī)范研究所的邀請，有幸參加了編制完成的《增材制造檢驗指南》評審稿的評審會。
在參加此次會議過程中，與業(yè)內專家進行了面對面的交流，并對增材制造（Additive Manufacturing，AM）相關技術標準（ASTM、EN、GB及ISO）的發(fā)布情況進行了檢索，對增材制造有了粗淺的認識。在船用產(chǎn)品船級社規(guī)范方面，繼DNVGL、ABS、BV和LR之后，CCS也將把增材制造的船用產(chǎn)品及相關修復技術納入了該社的認可范疇中。可喜可賀。
增材制造是一個龐大的話題，本文僅就其發(fā)展歷程和金屬材料的3D打印做一個簡單的介紹。
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3D打印發(fā)展史
什么是增材制造？按照GB/T 35351-2017增材制造 術語的定義，增材制造是指以三維（3D）模型數(shù)據(jù)為基礎，通過材料堆積的方式制造零件或實物的工藝。增材制造通常也稱為3D打印。
3D打印的一般概念和程序最初由Raymond F. Jones在他的故事《貿(mào)易的工具》中描述，該故事發(fā)表在1950年11月的《驚人的科幻》雜志上。在那篇文章中，他把它稱為“分子噴射”。
1971年，約翰內斯·F·高特瓦爾德(Johannes F Gottwald)申請了液態(tài)金屬記錄器(US3596285A)專利，這是一種連續(xù)噴繪金屬材料的裝置，在可重復使用的工作臺面上構造可拆裝的金屬部件，可立即投入使用，也可通過重熔回收用于再次打印。
這似乎是第一個描述快速原型和受控按需制造圖案的3D打印專利。1974年，大衛(wèi)·瓊斯(David E. H. Jones)在《新科學家》(New Scientist)雜志的定期專欄《阿里阿德涅》(Ariadne)中提出了3D打印的概念。
早期的3D打印設備和材料在20世紀80年代發(fā)展起來。1981年4月，名古屋市工業(yè)研究所的小玉秀男（Hideo Kodama）發(fā)明了兩種利用光硬化聚合物的3D打印三維(3D)塑膠模型的方法，其紫外線照射面積由掩模圖形或掃描光纖發(fā)射機控制。他為這款XYZ繪圖儀申請了專利，并于1981年11月10日發(fā)表。(JP S56 - 144478)。
他的研究成果作為期刊論文發(fā)表于1981年4月和11月。然而，外界對他的一系列出版論文沒有反應。他的設備在實驗室沒有得到高度評價，他的老板也沒有表現(xiàn)出任何興趣。他的研究預算只有每年6萬日元(約合545美元)。他獲得的XYZ繪圖儀的專利權最終被放棄了，項目也終止了。
1984年7月2日，美國企業(yè)家比爾·馬斯特斯（Bill Masters）為他的“計算機自動化制造過程和系統(tǒng)”申請了專利(US 4665492)。該申請在美國專利商標局備案，作為歷史上第一個3D打印專利：這是屬于馬斯特斯的三項專利中的第一項，這為今天使用的3D打印系統(tǒng)奠定了基礎。
1984年7月16日，Alain Le Méhauté, Olivier de Witte和Jean Claude Andre申請了立體光刻工藝的專利。法國發(fā)明家的應用被法國通用電氣公司(現(xiàn)在的阿爾卡特-阿爾薩姆)和CILAS(激光財團)放棄了。其聲稱的放棄原因是“缺乏商業(yè)視角”。
1984年，在法國人申請專利的三周后，3D系統(tǒng)公司的查克·赫爾（Chuck Hull）申請了他自己的立體光刻制造系統(tǒng)的專利，在該系統(tǒng)中，通過紫外光激光固化高分子光聚合物，將原材料層疊起來。赫爾稱這一程序可以“通過創(chuàng)建打印目標物體橫截面之間的聯(lián)系來打印3D物體”，但該程序已由小玉發(fā)明。
赫爾的貢獻是設計了STL（立體光刻）文件格式，該格式被廣泛應用于3D打印軟件和數(shù)字切片與填充。1986年，赫爾的系統(tǒng)被授予專利，他的3D系統(tǒng)公司發(fā)布了第一款商用3D打印機，SLA-1。
迄今為止，大部分3D打印機，特別是3D打印愛好者使用的和針對消費者設計的3D打印機，使用的大都是采用熔融沉積建模技術（FDM），這是塑膠擠出的特殊應用。該技術1988年由S. Scott Crump開發(fā)，并由他的公司Stratasys商業(yè)化，該公司在1992年推出了其第一臺FDM機器。
在20世紀80年代和90年代，針對金屬燒結或金屬熔化（例如選擇性激光燒結，直接金屬激光燒結和激光選區(qū)熔化）的增材制造技術，通常采用不同的名稱。
在那個時代，所有的金屬加工都是通過現(xiàn)在被稱為非添加工藝(鑄造、制造、沖壓和機械加工)來完成的;雖然大量自動化應用于這些技術(如機器人焊接和CNC)，在金屬加工中，刀具或機頭通過三維工作包將大量的原材料轉換成所需的形狀，這一想法只與去除金屬(而不是添加金屬)的過程有關，如數(shù)控銑削，數(shù)控電火花加工，以及許多其他的方法。
但后來被稱為“增材制造”(additive manufacturing)的添加金屬的自動化技術開始挑戰(zhàn)這一基本假設。20世紀90年代中期，斯坦福大學和卡耐基梅隆大學開發(fā)了新的材料沉積技術，包括微鑄造和噴涂材料。犧牲性和支撐材料也變得更加普遍，使物體獲得新的幾何形狀成為可能。
1993年還成立了一家噴墨3D打印機公司，最初命名為Sanders Prototype,Inc，后來命名為Solidscape，引入了一種具有可溶性支撐結構的高精度聚合物射流制造系統(tǒng)(被稱為“點對點”技術)。
1995年，Fraunhofer Society開發(fā)了選擇性激光熔化工藝。
2009年，熔融沉積建模(FDM)打印工藝專利到期。
2012年，Filabot開發(fā)了一個系統(tǒng)，用于塑料的封閉循環(huán)，并允許任何采用FDM或FFF技術的3D打印機能夠打印更廣泛種類的塑料。
2014年，Benjamin S. Cook和Manos M. Tentzeris演示了首個多材料垂直集成打印電子元器件的增材制造平臺(VIPRE)，該平臺實現(xiàn)了功能電子的3D打印操作，電子器件的工作頻率高達40 GHz。
“3D打印”一詞最初指的是用噴墨打印機機頭一層一層地將粘結劑材料沉積到粉末床上的過程。最近，主流文化已經(jīng)開始使用這個詞來代表更廣泛的增材制造技術，如電子束增材制造和選擇性激光熔化。但是，在美國和全球技術標準中，通常使用官方術語“增材制造”來描述以便包容的更廣泛的內涵。
最常用的3D打印技術(2021年占46%)是一種被稱為熔融沉積建模(FDM)的材料擠出技術。雖然FDM技術是在另外兩種最流行的技術——立體光刻(SLA)和選擇性激光燒結(SLS)之后發(fā)明的，但FDM通常是三種技術中最便宜的一種，遠遠超過其他技術，這使得FDM技術更受歡迎。
金屬3D打印的興起
在1990年代金屬3D打印技術的概念中，能加工的材料范圍很小。從那時起，多項技術進步（激光技術，粉末冶金技術等）使多種金屬的3D打印技術得以實現(xiàn)，而且，每一次技術突破都帶來了新的應用。
金屬3D打印中的第一個應用是快速原型（rapid prototyping）：航空航天業(yè)也已使用該技術很多年，其他行業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)應用也正在快速增長。
接下來，我們一起來簡單了解一下3D打印中最常用的金屬，以及這些金屬如何滿足3D打印的要求。
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高性能材料
由于增材制造（AM）的成本相對較高，因此，高性能設備是可使用AM的應用之一，例如航空航天，國防或能源行業(yè)。近年來，在這些應用領域，諸如鈦，鉻鎳鐵合金（inconel），鋁或鋼的材料已經(jīng)取得了許多進步。
1）鈦基合金
鈦基合金以其高的比強度，剛度和耐腐蝕性而著稱，在航空，生物醫(yī)學和化學工業(yè)中廣受歡迎。如上表所示，與其他高性能材料相比，這些合金的抗拉強度很高，而其密度僅為4.4 g / cm3。
高溫下的高反應活性是鈦基合金在加工時面臨的挑戰(zhàn)之一。為防止其與氧氣或氮氣發(fā)生反應，加工過程必須在真空或氬氣氣氛下進行。
電子束熔化（Electron Beam Melting，EBM）由于使用真空處理室而通常被用作鈦基合金的加工方法，近年來，選擇性激光熔化（Selective Laser Melting ，SLM）和定向能量沉積（Directed Energy Deposition，DED）的發(fā)展也使鈦的3D打印成為可能。目前，3D打印領域的領先公司（例如Materialize和3D Systems）均可提供鈦基合金的AM服務。
由Materialize打印的具有支撐結構3D的鈦零件。
2）鋁及其合金
鋁由于其重量輕，耐腐蝕和機械性能良好而被廣泛用于航空和汽車等許多行業(yè)。直到最近，鋁合金的AM應用才受到限制，因為它們更適合采用低成本生產(chǎn)的傳統(tǒng)制造技術，在成本方面，AM幾乎沒有優(yōu)勢。
鋁及鋁合金在3D打印方面也遇到了一些挑戰(zhàn)，包括鋁本身的激光反射率高，在鋁表面形成的氧化物。如今，鋁的3D打印大多是小批量件。工程師們正在大力改進技術并降低成本，預計在不久的將來，鋁將成為3D打印的最重要材料之一。
人們對鋁合金也很感興趣，如AlSi(鋁硅合金)或FeAl(鐵鋁合金)，由于鋁的使用，它們改善了機械性能，保持了較低的重量。
3）鎳基高溫合金
還可以3D打印耐高溫金屬，例如Inconel，它們可以在高達1100oC的溫度下工作。這些鎳基高溫合金還具有高強度和優(yōu)異的耐腐蝕性，非常適合于航空航天業(yè)和能源行業(yè)。此外，由于其良好的可加工性，可相對容易地使用包括SLM和DED在內的各種3D打印技術來生產(chǎn)零件。
AM的鎳基高溫合金可用于需要高強度，耐高溫和復雜幾何形狀的燃氣渦輪葉片中。
4）鋼
鋼是最便宜的3D打印材料之一，它具有高強度，良好的工作溫度范圍，并且由于其延性好而易于加工。實際上，幾乎所有金屬3D打印技術（例如SLM，DED和粘結劑噴射（Binder Jetting））都可用于鋼的加工。
您甚至可以在家中進行鋼的3D打印。ColorFabb公司提供了一種專用的細鋼絲，你可以用擠出增材制造方法在家進行3D打印。
我們可以將與3D打印相關的鋼分為兩類：工具鋼和不銹鋼。AM行業(yè)的大多數(shù)領先公司都提供了生產(chǎn)鋼制零件的可能性。例如，F(xiàn)ormetrix公司 （以前是NanoSteel的增材制造業(yè)務部門）可提供3D打印工具鋼的服務，這種鋼可用于制造工具，模具、軸承和齒輪。316L不銹鋼是3D打印中最常用的一種。它的典型應用是制造渦輪增壓器的壓氣機葉輪，可以使用SLM或DED技術實現(xiàn)。
用ColorFabb的SteelFill打印的鋼質雕塑，和316L不銹鋼打印的壓氣機葉輪
5）銅及其合金
銅是一種以高導熱性和高導電性而著稱的材料，具有廣闊的應用前景。
但3D打印這種材料面臨諸多挑戰(zhàn)。銅是一種高反射性材料，這意味著通常用于3D打印其他金屬（例如鋼或鈦）的激光束能量，大部分會被銅反射掉。
為了解決這個問題，F(xiàn)raunhofer ILT的研究人員選擇使用了綠光激光，并用這種技術生產(chǎn)出高密度的零件樣件。在不久的將來，這種技術也有望制造出具有幾何形狀復雜的物體，這為工程師們帶來了大量的機會。
Fraunhofer ILT在SLM加工銅時采用了綠色激光
目前，可以3D打印銅基合金，例如青銅和黃銅。青銅和黃銅因其抗鹽和海水腐蝕的性能而廣泛用于海洋應用場景中。最近，利用SLM和Wire Arc AM制造了青銅樣品。此外，兩項研究均報告了與傳統(tǒng)鑄造樣品相比，3D打印的產(chǎn)品具有優(yōu)越的機械性能。
6）銀，金和鉑
貴金屬AM在珠寶，航空航天和電子行業(yè)中有應用；然而，用于高性能零件的貴金屬材料加工技術仍在發(fā)展中，目前僅在珠寶行業(yè)中可用。大多數(shù)采用粉末床熔融（powder bed fusion）技術的公司都可以使用貴金屬（例如銀，金或鉑）進行3D打印。
例如，EOS公司與Cookson Precious Metals（CPM）合作，證明了將AM用于黃金制品的生產(chǎn)實例，這不僅為珠寶設計師提供了更大的自由度，也證明了粉末床熔融技術在制造用材更少，成本更低的珠寶方面具有巨大的想象空間。
金，銀和其他材料的不同混合物被用于生產(chǎn)不同顏色的珠寶。例如，黃金（75％的金，12％的銀），紅金（75％的金，4.5％的銀），白金（75％的金，3％的銀，14％的鈀）。
其他公司，例如Materialize，提供了一種名為“失蠟打印及鑄造”（Lost Wax Printing＆Casting）的3D打印技術生產(chǎn)貴金屬物品的可能性。該方法包括使用立體光刻技術制作3D打印蠟模；接下來，使用蠟型創(chuàng)建石膏模，通過常規(guī)鑄造工藝在石膏模中完成最終對象的制作。通過使用該技術，可以制作金、銀、青銅、黃銅和銅制品，主要應用包括首飾、精細微雕和雕塑。
展望
3D打印行業(yè)目前發(fā)展飛速，與傳統(tǒng)制造相比，3D打印能夠克服傳統(tǒng)制造的一些缺點，目前3D打印的部分適用范圍和領域已被制造業(yè)認可，傳統(tǒng)制造業(yè)經(jīng)過了數(shù)百年的積累和發(fā)展，在生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)技術，材料等方面非常成熟，并形成了配套完善，功能齊全，社會各界廣泛認可的產(chǎn)業(yè)基礎，在現(xiàn)階段，3D打印與傳統(tǒng)制造并不是替代與被替代的關系，而是互補的關系。
3D打印技術擁有不可忽視的自身優(yōu)勢，行業(yè)專家認為：
（1）以3D打印和大數(shù)據(jù)為基礎的分布式制造模式，將徹底打通互聯(lián)網(wǎng)和制造業(yè)。
（2）要打造分布式制造點，其待解決的核心問題之一就是必須擁有以龐大的設計作品為基礎的設計師平臺。
（3）互聯(lián)網(wǎng)+3D打印平臺+分布式制造模式的建立，將會是3D打印行業(yè)未來發(fā)展的趨勢。
而3D打印技術的局限性主要體現(xiàn)為：
（1）精度低，溫度對于FDM成型效果影響非常大，而桌面級FDM3D打印機通常都缺乏恒溫設備，增材制造另外在出料部分缺少控制部件，致使難以精確地控制出料形態(tài)和成型效果，這些原因導致桌面級FDM3D打印機的成品精度通常為0.1～0.3毫米。
（2）強度低。受工藝和材料限制，打印物品的性能強度低，尤其是沿Z軸方向的材料強度比較弱，達不到工業(yè)標準。
（3）打印時間長，需按橫截面形狀逐步打印，成型過程中受到一定的限制，制作時間長，不適于制造大型物件，需要支撐材料，在成型過程中需要加入支撐材料，在打印完成后要進行剝離，隨著技術的進步，市面上已經(jīng)有水溶性支撐材料，該缺點正在被逐步克服。
金屬3D打印已經(jīng)在多個行業(yè)提供了多種應用，更重要的是，這種應用的數(shù)量仍在不斷增長。此外，提供3D打印產(chǎn)品和服務的大量競爭性公司正在增加其可供打印的材料目錄，以尋找新客戶并擴展到新的領域。
在未來幾年中，我們可以預期3D打印行業(yè)將保持相同的增長路徑。金屬3D打印終將好成為我們期待的顛覆性技術。
1. https://en.wikipedia.org/wiki/3D_printing
2. https://matmatch.com/blog/top-metals-for-3d-printing/
3. https://3dprint.ofweek.com/2017-02/ART-132102-8420-30103576.html
4. https://www.chinaam.com/news/1/1076.html
文章來源: 知鋼網(wǎng), 作者:孫忠明
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