2023年11月5日，應(yīng)中國(guó)船級(jí)社（CCS）上海規(guī)范研究所的邀請(qǐng)，有幸參加了編制完成的《增材制造檢驗(yàn)指南》評(píng)審稿的評(píng)審會(huì)。
在參加此次會(huì)議過程中，與業(yè)內(nèi)專家進(jìn)行了面對(duì)面的交流，并對(duì)增材制造（Additive Manufacturing，AM）相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（ASTM、EN、GB及ISO）的發(fā)布情況進(jìn)行了檢索，對(duì)增材制造有了粗淺的認(rèn)識(shí)。在船用產(chǎn)品船級(jí)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(guān)修復(fù)技術(shù)納入了該社的認(rèn)可范疇中。可喜可賀。
增材制造是一個(gè)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(gè)簡(jiǎn)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(shù)語(yǔ)的定義，增材制造是指以三維（3D）模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過材料堆積的方式制造零件或?qū)嵨锏墓に嚒Ｔ霾闹圃焱ǔＲ卜Q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(nèi)斯·F·高特瓦爾德(Johannes F Gottwald)申請(qǐng)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(fù)使用的工作臺(tái)面上構(gòu)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(gè)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(xué)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(shè)備和材料在20世紀(jì)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(jī)控制。他為這款XYZ繪圖儀申請(qǐng)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(duì)他的一系列出版論文沒有反應(yīng)。他的設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室沒有得到高度評(píng)價(jià)，他的老板也沒有表現(xiàn)出任何興趣。他的研究預(yù)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(quán)最終被放棄了，項(xiàng)目也終止了。
1984年7月2日，美國(guó)企業(yè)家比爾·馬斯特斯（Bill Masters）為他的“計(jì)算機(jī)自動(dòng)化制造過程和系統(tǒng)”申請(qǐng)了專利(US 4665492)。該申請(qǐng)?jiān)诿绹?guó)專利商標(biāo)局備案，作為歷史上第一個(gè)3D打印專利：這是屬于馬斯特斯的三項(xiàng)專利中的第一項(xiàng)，這為今天使用的3D打印系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。
1984年7月16日，Alain Le Méhauté, Olivier de Witte和Jean Claude Andre申請(qǐng)了立體光刻工藝的專利。法國(guó)發(fā)明家的應(yīng)用被法國(guó)通用電氣公司(現(xiàn)在的阿爾卡特-阿爾薩姆)和CILAS(激光財(cái)團(tuán))放棄了。其聲稱的放棄原因是“缺乏商業(yè)視角”。
1984年，在法國(guó)人申請(qǐng)專利的三周后，3D系統(tǒng)公司的查克·赫爾（Chuck Hull）申請(qǐng)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(biāo)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(xiàn)是設(shè)計(jì)了STL（立體光刻）文件格式，該格式被廣泛應(yīng)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(jī)，SLA-1。
迄今為止，大部分3D打印機(jī)，特別是3D打印愛好者使用的和針對(duì)消費(fèi)者設(shè)計(jì)的3D打印機(jī)，使用的大都是采用熔融沉積建模技術(shù)（FDM），這是塑膠擠出的特殊應(yīng)用。該技術(shù)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(tái)FDM機(jī)器。
在20世紀(jì)80年代和90年代，針對(duì)金屬燒結(jié)或金屬熔化（例如選擇性激光燒結(jié)，直接金屬激光燒結(jié)和激光選區(qū)熔化）的增材制造技術(shù)，通常采用不同的名稱。
在那個(gè)時(shí)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(jī)械加工)來完成的;雖然大量自動(dòng)化應(yīng)用于這些技術(shù)(如機(jī)器人焊接和CNC)，在金屬加工中，刀具或機(jī)頭通過三維工作包將大量的原材料轉(zhuǎn)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(guān)，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(dòng)化技術(shù)開始挑戰(zhàn)這一基本假設(shè)。20世紀(jì)90年代中期，斯坦福大學(xué)和卡耐基梅隆大學(xué)開發(fā)了新的材料沉積技術(shù)，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(jī)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(jié)構(gòu)的高精度聚合物射流制造系統(tǒng)(被稱為“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”技術(shù))。
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(gè)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(shù)的3D打印機(jī)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(gè)多材料垂直集成打印電子元器件的增材制造平臺(tái)(VIPRE)，該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了功能電子的3D打印操作，電子器件的工作頻率高達(dá)40 GHz。
“3D打印”一詞最初指的是用噴墨打印機(jī)機(jī)頭一層一層地將粘結(jié)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(gè)詞來代表更廣泛的增材制造技術(shù)，如電子束增材制造和選擇性激光熔化。但是，在美國(guó)和全球技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，通常使用官方術(shù)語(yǔ)“增材制造”來描述以便包容的更廣泛的內(nèi)涵。
最常用的3D打印技術(shù)(2021年占46%)是一種被稱為熔融沉積建模(FDM)的材料擠出技術(shù)。雖然FDM技術(shù)是在另外兩種最流行的技術(shù)——立體光刻(SLA)和選擇性激光燒結(jié)(SLS)之后發(fā)明的，但FDM通常是三種技術(shù)中最便宜的一種，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他技術(shù)，這使得FDM技術(shù)更受歡迎。
金屬3D打印的興起
在1990年代金屬3D打印技術(shù)的概念中，能加工的材料范圍很小。從那時(shí)起，多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步（激光技術(shù)，粉末冶金技術(shù)等）使多種金屬的3D打印技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，而且，每一次技術(shù)突破都帶來了新的應(yīng)用。
金屬3D打印中的第一個(gè)應(yīng)用是快速原型（rapid prototyping）：航空航天業(yè)也已使用該技術(shù)很多年，其他行業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用也正在快速增長(zhǎng)。
接下來，我們一起來簡(jiǎn)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(duì)較高，因此，高性能設(shè)備是可使用AM的應(yīng)用之一，例如航空航天，國(guó)防或能源行業(yè)。近年來，在這些應(yīng)用領(lǐng)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(jìn)步。
1）鈦基合金
鈦基合金以其高的比強(qiáng)度，剛度和耐腐蝕性而著稱，在航空，生物醫(yī)學(xué)和化學(xué)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(qiáng)度很高，而其密度僅為4.4 g / cm3。
高溫下的高反應(yīng)活性是鈦基合金在加工時(shí)面臨的挑戰(zhàn)之一。為防止其與氧氣或氮?dú)獍l(fā)生反應(yīng)，加工過程必須在真空或氬氣氣氛下進(jìn)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(lǐng)域的領(lǐng)先公司（例如Materialize和3D Systems）均可提供鈦基合金的AM服務(wù)。
由Materialize打印的具有支撐結(jié)構(gòu)3D的鈦零件。
2）鋁及其合金
鋁由于其重量輕，耐腐蝕和機(jī)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(yīng)用才受到限制，因?yàn)樗鼈兏m合采用低成本生產(chǎn)的傳統(tǒng)制造技術(shù)，在成本方面，AM幾乎沒有優(yōu)勢(shì)。
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(jìn)技術(shù)并降低成本，預(yù)計(jì)在不久的將來，鋁將成為3D打印的最重要材料之一。
人們對(duì)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(jī)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(dá)1100oC的溫度下工作。這些鎳基高溫合金還具有高強(qiáng)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(duì)容易地使用包括SLM和DED在內(nèi)的各種3D打印技術(shù)來生產(chǎn)零件。
AM的鎳基高溫合金可用于需要高強(qiáng)度，耐高溫和復(fù)雜幾何形狀的燃?xì)鉁u輪葉片中。
4）鋼
鋼是最便宜的3D打印材料之一，它具有高強(qiáng)度，良好的工作溫度范圍，并且由于其延性好而易于加工。實(shí)際上，幾乎所有金屬3D打印技術(shù)（例如SLM，DED和粘結(jié)劑噴射（Binder Jetting））都可用于鋼的加工。
您甚至可以在家中進(jìn)行鋼的3D打印。ColorFabb公司提供了一種專用的細(xì)鋼絲，你可以用擠出增材制造方法在家進(jìn)行3D打印。
我們可以將與3D打印相關(guān)的鋼分為兩類：工具鋼和不銹鋼。AM行業(yè)的大多數(shù)領(lǐng)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(wù)部門）可提供3D打印工具鋼的服務(wù)，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(yīng)用是制造渦輪增壓器的壓氣機(jī)葉輪，可以使用SLM或DED技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
用ColorFabb的SteelFill打印的鋼質(zhì)雕塑，和316L不銹鋼打印的壓氣機(jī)葉輪
5）銅及其合金
銅是一種以高導(dǎo)熱性和高導(dǎo)電性而著稱的材料，具有廣闊的應(yīng)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(huì)被銅反射掉。
為了解決這個(gè)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(shù)生產(chǎn)出高密度的零件樣件。在不久的將來，這種技術(shù)也有望制造出具有幾何形狀復(fù)雜的物體，這為工程師們帶來了大量的機(jī)會(huì)。
Fraunhofer ILT在SLM加工銅時(shí)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(yīng)用場(chǎng)景中。最近，利用SLM和Wire Arc AM制造了青銅樣品。此外，兩項(xiàng)研究均報(bào)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(jī)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(yīng)用；然而，用于高性能零件的貴金屬材料加工技術(shù)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(shù)的公司都可以使用貴金屬（例如銀，金或鉑）進(jìn)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(shí)例，這不僅為珠寶設(shè)計(jì)師提供了更大的自由度，也證明了粉末床熔融技術(shù)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(shù)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(shù)制作3D打印蠟?zāi)＃唤酉聛恚褂孟炐蛣?chuàng)建石膏模，通過常規(guī)鑄造工藝在石膏模中完成最終對(duì)象的制作。通過使用該技術(shù)，可以制作金、銀、青銅、黃銅和銅制品，主要應(yīng)用包括首飾、精細(xì)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(diǎn)，目前3D打印的部分適用范圍和領(lǐng)域已被制造業(yè)認(rèn)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(shù)，材料等方面非常成熟，并形成了配套完善，功能齊全，社會(huì)各界廣泛認(rèn)可的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，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(guān)系，而是互補(bǔ)的關(guān)系。
3D打印技術(shù)擁有不可忽視的自身優(yōu)勢(shì)，行業(yè)專家認(rèn)為：
（1）以3D打印和大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)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(diǎn)，其待解決的核心問題之一就是必須擁有以龐大的設(shè)計(jì)作品為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)師平臺(tái)。
（3）互聯(lián)網(wǎng)+3D打印平臺(tái)+分布式制造模式的建立，將會(huì)是3D打印行業(yè)未來發(fā)展的趨勢(shì)。
而3D打印技術(shù)的局限性主要體現(xiàn)為：
（1）精度低，溫度對(duì)于FDM成型效果影響非常大，而桌面級(jí)FDM3D打印機(jī)通常都缺乏恒溫設(shè)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?qū)е伦烂婕?jí)FDM3D打印機(jī)的成品精度通常為0.1～0.3毫米。
（2）強(qiáng)度低。受工藝和材料限制，打印物品的性能強(qiáng)度低，尤其是沿Z軸方向的材料強(qiáng)度比較弱，達(dá)不到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
（3）打印時(shí)間長(zhǎng)，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(shí)間長(zhǎng)，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(jìn)行剝離，隨著技術(shù)的進(jìn)步，市面上已經(jīng)有水溶性支撐材料，該缺點(diǎn)正在被逐步克服。
金屬3D打印已經(jīng)在多個(gè)行業(yè)提供了多種應(yīng)用，更重要的是，這種應(yīng)用的數(shù)量仍在不斷增長(zhǎng)。此外，提供3D打印產(chǎn)品和服務(wù)的大量競(jìng)爭(zhēng)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(kuò)展到新的領(lǐng)域。
在未來幾年中，我們可以預(yù)期3D打印行業(yè)將保持相同的增長(zhǎng)路徑。金屬3D打印終將好成為我們期待的顛覆性技術(shù)。
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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