3D打印材料 — —2017發(fā)展趨勢展望

2017年，3D打印材料將根據(jù)3D打印的技術(shù)特點得到更好的針對性開發(fā)，在更細微的細節(jié)上滿足應(yīng)用端更高質(zhì)量和更大的最終生產(chǎn)零件需求。同時，可用于3D打印過程的材料范圍繼續(xù)擴大，在低、中、高端領(lǐng)域滿足一系列不同的需求。

多種因素促進工程級材料的開發(fā)，包括標準機構(gòu)、政府實驗室、聯(lián)盟和其他團體，以及更大的材料公司包括GKN、美鋁、贏創(chuàng)、巴斯夫、Solvay在這一領(lǐng)域發(fā)力，而設(shè)備廠商的驅(qū)動成為另一主要因素，最典型的是惠普多射流技術(shù)，贏創(chuàng)與巴斯夫正在圍繞著惠普的設(shè)備開發(fā)更多工程級材料，以打開設(shè)備更廣闊的應(yīng)用空間。

材料與應(yīng)用緊密結(jié)合

改善增材制造材料的標準和指南

用增材制造和3D打印的方法制作高質(zhì)量的最終生產(chǎn)部件，這需要詳細定義的材料和打印零件的標準和指南，并且涵蓋設(shè)備和工藝，對于金屬零件的3D打印尤其如此，金屬打印在2017年繼續(xù)成為增長最快的3D打印市場。

圖：Arconic，美國鋁業(yè)3D打印鋁金屬粉末的生產(chǎn)廠

全球最大的輕金屬研發(fā)中心，來源：DesignNews

在2016年，免費的在線搜索Senvol數(shù)據(jù)庫生成了一套新的工業(yè)級增材制造工具用于提供給面向制造的工程師使用，Senvol數(shù)據(jù)庫包含了工業(yè)增材制造設(shè)備和表征材料的性能數(shù)據(jù)，用戶可以在上面根據(jù)自己的需求搜索與之相關(guān)的信息。其強大的專有算法可以幫助生產(chǎn)者確定哪些部分使用增材制造（AM）會比傳統(tǒng)工藝更加有效。這個算法分析了整個供應(yīng)鏈，并考慮了諸如庫存、停機時間和運輸?shù)雀黜椧蛩?。Senvol指數(shù)（Index)并不受設(shè)備和材料廠商的影響，是個中立的工具，用來幫助那些想要通過增材制造來進行生產(chǎn)的用戶降低行業(yè)進入壁壘。

舉個例子來說，Arcam（AP&C）鈦合金 Ti6Al4V（45 – 106微米）材料，通過Arcam Q20來加工，Senvol數(shù)據(jù)庫就可以查到材料性能、工藝參數(shù)、粉末特性，和熱等靜壓（HIP）的影響，這些數(shù)據(jù)來源于航空航天行業(yè)的最佳實踐。各項指標均避免了其他航空航天企業(yè)做自己的材料表征的重復(fù)工作。由于不同的行業(yè)使用非常相似的材料，例如鈦合金也用于醫(yī)療植入物的制造，這樣的數(shù)據(jù)集可以被航空和醫(yī)療之間共享。

Senvol的總裁Annie Wang已被選定為SAE增材制造委員會數(shù)據(jù)管理委員會副主席，這個技術(shù)委員會隸屬于SAE航空航天材料系統(tǒng)。Annie Wang在委員會的重點工作將是建立一個系統(tǒng)，以確保材料規(guī)格的控制和溯源。數(shù)據(jù)管理委員會還將與SAE的MMPDS新興技術(shù)工作組協(xié)調(diào)關(guān)于高分子復(fù)合材料CMH-17的SAE國際復(fù)合材料手冊和新型金屬材料的數(shù)據(jù)研究工作。

關(guān)于標準化與數(shù)據(jù)對材料的促進作用，3D科學(xué)谷發(fā)表的ASTM增材制造國際標準與行業(yè)發(fā)展，大數(shù)據(jù)與3D打印手牽手做過深入分析。

金屬，金屬，更多的金屬

最終生產(chǎn)零件，是3D打印的未來。近期的IDTechEx報告中提到2016金屬打印機銷售增長48%，材料銷售增長32%。該報告涵蓋了選擇性激光熔化（SLM），電子束熔煉（EBM）、送粉、金屬+粘結(jié)劑，焊接和一些新興的技術(shù)。材料范圍廣：鋁合金、鈷合金、鎳合金、鋼、鎳鈦合金、鈦合金、金、鉑、鈀、銀、銅、青銅，和鎢。由于對航空航天和醫(yī)療應(yīng)用的高度重視，金屬增材制造，由于航空航天行業(yè)的大量使用，鈦合金占有31%的市場份額，同時，航空航天行業(yè)也大量投資于鈷、鎳和鋁合金.。

針對與SLM和EBM，根據(jù)Absolute Reports，預(yù)測到2021年的增長率保持在26.86%的年平均水平，另外根據(jù)Absolute Reports，歐洲金屬市場的速度高于全球水平，從2011年到2016年保持了54.92%的高增長水平。

金屬粉末是金屬增材制造的一大制約因素，根據(jù)Wholers與VDW報告，金屬增材制造市場份額大約只占所有增材制造的10%左右，然而這一比例有望在2023年達到51%左右。而目前大多數(shù)領(lǐng)先的金屬粉末制造商都在開發(fā)用于增材制造的金屬粉末，雖然粉末還是供不應(yīng)求，但這一現(xiàn)象有望很快發(fā)生改變。

美鋁開創(chuàng)了推動世界發(fā)展的多種材料解決方案，提供由鈦、鎳和鋁制成的增值產(chǎn)品，并生產(chǎn)世界一流的鋁土礦、氧化鋁和原鋁產(chǎn)品。為滿足包括航空航天制造在內(nèi)的各行業(yè)對增材制造的需求，美鋁將其下游服務(wù)業(yè)務(wù)以Arconic公司的名義拆分出來。在賓夕法尼亞州的匹茲堡生產(chǎn)3D打印金屬粉末，并設(shè)有美鋁技術(shù)中心，除此之外，他們正在開發(fā)專有的鈦、鎳和鋁粉末優(yōu)化的3D打印航空零件。

另外一家公司，吉凱恩(GKN)旗下設(shè)有吉凱恩傳動系統(tǒng)、吉凱恩粉末冶金、吉凱恩航宇和吉凱恩陸地系統(tǒng)四個事業(yè)部。這四個業(yè)務(wù)部門相輔相成，為金屬粉末的研究和應(yīng)用帶來領(lǐng)先優(yōu)勢。吉凱恩旗下的Hoeganaes有限公司生產(chǎn)的金屬粉末制品在北美地區(qū)所占的市場份額超過了50%,Hoeganaes有限公司的產(chǎn)品在歐洲金屬粉末制品市場的銷售也呈快速增長。吉凱恩Hoeganaes還與德國的TLS技術(shù)公司達成合作成立合資公司，為北美地區(qū)的航空航天和醫(yī)療制造業(yè)提供可用于3D打印的鈦金屬粉末。 TLS技術(shù)公司為增材制造市場提供鈦金屬粉末也有20多年的歷史。新公司設(shè)立在美國新澤西的Cinnaminson，并將于2017年開業(yè)，這將加強吉凱恩在增材制造領(lǐng)域提供高質(zhì)量標準鈦金屬粉末的市場地位。

在卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的領(lǐng)導(dǎo)NextManufacturing中心，通過巨大的同步X射線輻射機，足以看到百萬分之一米的金屬內(nèi)部細節(jié)。X射線掃描金屬3D打印的數(shù)據(jù)被送回匹茲堡來分析金屬打印結(jié)果與打印參數(shù)之間的關(guān)系。研究人員利用基于X射線顯微層析同步使3D打印鈦合金零件的詳細的圖像，以幫助表征材料和提高零件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

先前的研究發(fā)現(xiàn)，3D打印鈦合金構(gòu)件的Ti-6Al-4V合金在EBM加工條件下拉伸性能達到或超過了大多數(shù)傳統(tǒng)的制造標準。但由于孔隙率過大，零件的疲勞性能始終較差。研究小組發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)的孔隙率可以通過調(diào)整打印機的工藝參數(shù)來消除，但對孔隙率的檢測方法必須足夠精確，并且包含足夠的信息來恰當(dāng)?shù)孛枋鏊extManufacturing中心給出了一個最小的特征分辨率為1.5微米。

圖：LLNL實驗室對金屬打印的研究

在勞倫斯·利弗莫爾LLNL國家實驗室的研究人員也在尋找氣孔問題。他們發(fā)現(xiàn)激光粉末熔化金屬工藝所產(chǎn)生的顆粒間的相互作用會導(dǎo)致孔隙率的增加。研究小組利用一個真空室，通過超高速的相機，和一個定制的顯微鏡設(shè)置觀察被激光噴射并按照激光方向熔化過程。通過計算機模擬和流體動力學(xué)，研究人員還建立了模型，以幫助解釋粒子運動。這些數(shù)據(jù)被捕獲和用于更新仿真模型，有助于優(yōu)化加工過程，并進一步理解孔隙度的發(fā)生和探索先進的診斷和修改的過程。在3D科學(xué)谷的探秘全球最先進的3D打印實驗室-LLNL國家實驗室中可以感受到LLNL以質(zhì)量研究與前沿應(yīng)用來引領(lǐng)3D打印發(fā)展的實力與魄力。

對于孔隙率的研究，賓夕法尼亞大學(xué)還引入了X射線斷層成像技術(shù)，詳見3D科學(xué)谷發(fā)布的X射線斷層成像技術(shù)作為3D打印的質(zhì)量利器。

而除了最為熱門和吸引眼球的航空航天與醫(yī)療行業(yè)用途，模具市場尤其是隨行冷卻模具的打印是金屬3D打印的另一個潛力市場，國際上最為熟知的品牌是山特維克，目前國內(nèi)3D打印領(lǐng)域在模具鋼材料及應(yīng)用方面活躍的機構(gòu)包括北京易加、無錫辛德華瑞粉末新材料科技，中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，上海藍鑄特種合金材料，東莞勁勝精密組件，東莞華晶粉末冶金，南京航空航天大學(xué)，華中科技大學(xué)等。

但金屬并不是唯一的材料

金屬，雖然吸引我們的目光，但并不是最主要的3D打印材料。根據(jù)BCC Research的研究報告，光敏樹脂材料占據(jù)了2015年59.8%的打印材料市場，當(dāng)然，隨著金屬材料市場的快速增長，光敏樹脂材料預(yù)計將在2021年變?yōu)?7%的市場份額。占據(jù)25%至26%的市場份額的是熱塑性塑料。

塑料正在變得更加具工程性能，這其中，除了3D科學(xué)谷之前發(fā)布的賦予3D打印更多附加值，2016年終盤點新材料趨勢所批露的市場研究信息。Evonik最近推出VESTOSINT 3D Z2773材料，這種材料是使用惠普多射流融合3D打印機開發(fā)的第一個新的塑料粉末。新的PA-12粉末具有優(yōu)異的力學(xué)性能，并且通過美國FDA（食品和藥物管理局）標準，所以用這種材料制造出來的組件可以用于食品接觸。

目前，惠普的其他材料伙伴還包括巴斯夫、阿科瑪和Lehman & Voss。

工程塑料，圖片來源：Solvay

塑料領(lǐng)域的另一個巨頭，Solvay-蘇威以其先進的輕量化解決方案以塑料取代部分金屬為目標。Solvay先是在法國里昂成立技術(shù)中心，研究和生產(chǎn)Sinterline Technyl，又在美國格魯吉亞州的Alpharetta開辟了一個新的實驗室用于增材制造先進材料的研究。

Solvay還為KetaSpire KT-820 PEEK材料做了專門測試，用于比較同一種材料通過3D打印來完成與通過傳統(tǒng)注塑來完成的零件抗拉強度，該材料含有10%的玻璃纖維增強成分。

塑料領(lǐng)域即將上演技術(shù)與創(chuàng)新的全新 PK，這一點在3D科學(xué)谷發(fā)布的賦予3D打印更多附加值,2016年終盤點新材料趨勢中有著深入的剖析。

當(dāng)然，無論是金屬還是塑料的3D打印市場，并不歸大鱷完全所有，新型的技術(shù)以其獨特的創(chuàng)新而存在，這其中就有意大利的CRP Technology，圍繞著聚酰胺材料，CRP Technology的尼龍增強材料獨具特色，其中Windform玻璃纖維增強聚酰胺材料，具有良好的拉伸強度，也可以被CNC數(shù)控加工，并且還是非導(dǎo)電材料，可以適用于電池盒，電氣和電子部件和KERS能量回收容器。塑料如何代替金屬？更多信息請查看3D科學(xué)谷發(fā)表的Windform 3D打印技術(shù)所帶來的車輛定制化的世界，F(xiàn)DM和SLS技術(shù)用PAEK材料？威格斯是認真的。

一個值得注意的現(xiàn)象，美國并沒有注入大量的人力物力去開發(fā)自己的金屬3D打印機，而是將精力集中在對金屬打印過程的研究和質(zhì)量控制，以及應(yīng)用研究方面。另一方面，GE在2016年收購Concept Laser與Arcam公司，直接提升了美國在金屬3D打印設(shè)備方面的話語權(quán)。3D科學(xué)谷認為不隨風(fēng)而動，做自己擅長的，無論是設(shè)備還是材料，這將是主導(dǎo)3D打印領(lǐng)域贏得競爭的一塊基石。