导读：3D打印工业是一种万能产业，可以制造几乎一切产品，而支撑这份庞大工业的基础就是材料。3D打印所使用的材料大类可分为金属和非金属两种，其中在航空航天、国防军工等高端领域中金属材料占据了大头。伴随着高端应用需求的不断增长，如何突破现有金属及合金材料的制造局限性，使其得到更全面的发展，是亟需解决的问题。本期，南极熊总结了2021年全球重磅金属3D打印材料新进展，它们的成功应用为汽车、航空航天及电子器件等领域开辟了新道路。
1、Digital Metal 推出用于粘结剂喷射的3D打印纯铜粉末
纯铜具有良好的延展性和导电性，被广泛用于生产电线等电气连接件。此外，铜还具有抗菌特性，这为它在医疗上的应用开辟了新路径。在增材制造中，铜材料应用较晚，但近年来呈现快速发展趋势，尤其国防军工领域铜合金增材制造应用不断取得重要进展，更促进了铜材料增材制造的发展。一直以来，用纯铜材料进行粘合剂喷射都是属于全新的技术，而随着电子移动性和导热性等快速增长领域对铜的应用需求的飙升，适用于3D打印的铜材料便成为了亟需突破的方向。
2021年2月27日，工业3D打印机制造商Digital Metal宣布推出一种新的纯铜粉末——DM Cu，适用于粘合剂喷射3D打印技术。这种材料以优异的导热性而闻名，成为热交换器、管道、发动机和电子产品的散热器等传热部件的选择，用户可以通过配套的DM P2500 3D打印机制造出99.9%的纯铜组件。
据悉，Digital Metal已经通过内部的一些测试应用对新型DM Cu粉末进行了实验。首先，公司3D打印了一个喇叭波导天线，用于引导无线电波的波束。像喇叭天线这样的部件，如果使用传统技术制造，通常成本相当高，而且可能只在专门的研究或航空航天项目中需要小批量制造。因此，每个零件的成本可能会急剧上升，Digital Metal可以通过3D打印技术解决这个问题。在这里使用粘结剂喷射也有利于减轻重量，因为公司的工程师能够选择轻质薄壁结构，并采用肋骨来增加必要的刚度。
△3D打印的纯铜喇叭天线，图片来自Digital Metal △使用纯铜粉3D打印的优化散热片，图片来自Digital Metal
在国内，有研增材也于2021年推出适用于选区激光熔化的高导电率纯Cu粉，并在电气等领域取得重要应用。此外，该公司目前已形成较全系列的增材制造专用铜及铜合金粉末产品，包括纯Cu、CuSn10、CuCrZr、CuNi2SiCr、CuAlFeNi等。
2、中航迈特先后突破高温合金及高强铝合金材料制粉工艺
实现国产500kg级大容量智能化制粉装备产业化应用
突破超高纯净高温合金粉末制粉工艺，中航迈特开发的GH3230高温合金粉末，有效解决了打印试件内部大量微裂纹问题，材料900℃屈服强度≥180MPa以上，产品质量稳定，批量交付某航空航天客户使用；
在高强铝合金粉末材料方面，先后开发出中等强度和高强度铝合金粉末材料，中等强度铝合金抗拉强度≥450MPa，延伸率≥10%，高强度铝合金抗拉强度≥550MPa，延伸率≥10%；
完成VIGA500制粉设备建设及热试，突破500kg级炉体结构设计、感应线圈及进电倾转机构、熔炼坩埚材质及成形烘烤工艺、长时大流量雾化喷嘴等多项前沿技术，单次投炉量可达500KG，大力推动国内增材制造行业的应用发展。
3、粘结剂喷射3D打印的铝合金材料获突破
在增材制造的早期，工程师发现铝的特殊属性（极易氧化）对铝的加工带来了很大的挑战。但这导致了铝方面的两个独立发展。一种是专门利用AM工艺制造的新型高性能铝合金。其次，铝解决方案已经专门为压铸应用开发。这两个途径一直引领着铝在3D打印应用中的普及。
2021年3月，ExOne和Desktop Metal同时宣布实现了6061铝合金粘结剂喷射3D打印。Desktop Metal与Uniformity Labs合作开发的一种低成本原料，可生产出完全致密的可烧结6061铝，伸长率超过10％，并具有相比锻造6061铝更高的屈服强度和极限抗拉强度。ExOne则是通过与福特汽车公司合作实现的铝合金粘结剂喷射3D打印技术的突破，双方共同开发了这种用于铝材的快速可靠粘结剂喷射3D打印和烧结的工艺，该工艺可提供与压铸可比的性能，烧结件的密度可达到99％。
△6061铝发动机块模型
十多年来，研究人员一直回避铝合金烧结成型的商业可行性，其原因在于脱脂烧结过程极易导致铝合金燃烧，这是该技术进行铝合金加工的一大挑战。而将轻质金属添加到粘结剂喷射3D打印的材料体系中，为跨行业的各种热应用和结构应用打开了大门。
4、新型高温钛合金材料——Ti6242与Ti2AlNb为汽车、航空航天带来更多可能性
钛合金粉末以生产具有优异机械性能的零件而闻名，是当前价值最高、应用最广泛的3D打印金属材料之一，尤以Ti6Al4V最为知名，但在特定情况下最好能够有更多的选择。GE Additive于2021年推出了一款满足高温和抗蠕变应用的3D打印钛合金Ti-6242，与其他钛合金的主要区别在于该材料的机械性能能够满足高温和抗蠕变应用。它具有高机械强度、可焊性、高温稳定性和高达500-550°C的抗蠕变性。其他常见的钛合金，尤其是Ti6Al4V，工作温度通常为350°C，因此Ti-6242能够在更高温度下工作。同年3月份，意大利BEAMIT集团宣布开发出适用于钛合金Ti6242的增材制造工艺。该公司还表示，Ti6242可用于制造赛车和航空应用部件，且性能优于传统技术加工的合金。
△Ti6242显微组织
在国内，铂力特也推出了一种具有高比强度、抗氧化性、无磁性以及优异高温力学性能的Ti2AlNb材料。它是最具潜力的航空航天发动机用材料之一，适合用于制造热端部件的新型轻质高温结构。该材料虽强度高，但延伸率较低，室温下其脆性很大，无法加工成具有精细结构的复杂零件，极大的限制了其广泛应用。SLM成形的Ti2AlNb材料与航空航天常用的SLM成形GH3536高温合金材料相比，在900℃下二者强度相当，但Ti2AlNb材料的密度仅为其64.5%。铂力特开发的该款粉末产品可以实现耐高温特性，同时面向增材制造的设计可以实现复杂精细和优化设计结构。
5、肯纳金属公司推出用于粉末床3D打印的Stellite 21金属材料
2021年4月7日，美国肯纳（Kennametal）公司推出了首款符合激光粉末床增材制造技术要求的Stellite金属粉末。Stellite 21是肯纳公司增材制造粉末产品组合的最新成员，据说具有钴铬合金独特的耐腐蚀和耐磨性能，其他产品组合还包括Delcrome 17-4和Delcrome 316L粉末。
肯纳公司相信，经过优化的Stellite 21增材制造粉末将适用于发电、石油和天然气行业中的高性能耐磨部件。他们还表示这种材料适用于流量控制应用，可以集成到复杂的设计中，以减轻气蚀、侵蚀或腐蚀故障。Stellite粉末的组成特点是钴铬钼合金基体含有分散的硬质碳化物，有助于加强合金，增加其硬度并降低其延展性。据说这种材料还表现出优异的抗腐蚀、抗热震和抗机械冲击能力。
△肯纳公司Stellite 21 AM粉末
6、西普曼发布钽、钨等难熔金属3D打印材料的解决方案
2021年9月9日，西普曼在深圳国际会展中心举办的首届Formnext + PM South China展会上，发布了钽、钨等难熔金属球形粉末的先进制造解决方案（GA）。南极熊了解，金属钨（熔点为3410度）的高熔点和高硬度的特点，使得钨制品加工非常困难，随着3D打印技术的发展，钨制品及零件将在化工、军事、国防、医疗、核电等领域迎来新的以及便捷的应用机会。而作为3D打印原料的球形钨粉，以及同属难熔金属的钽、铌、钼、钒等金属或合金球形粉末，首先将会是难熔金属3D打印必须跨过的一个门槛。
没有延用化学法以及等离子法等常规制备方法，西普曼增材科技（北京）有限公司另辟蹊径，经过近2年的探索，于2021年3月16日完成了气氛环境下金属钨（纯度99.95%）的正常熔化滴落。同年9月份，西普曼公司宁夏工厂使用标准规格棒料，采用“惰性气体高压雾化技术”成功生产出了达标的球形钨粉（纯度99.95%）、球形钽粉（5200）。气雾化技术实质是利用高压惰性气体破碎难熔金属熔滴或液流，而得到球形液滴颗粒，冷却后得到难熔金属球形粉末，粉末具有气雾化粉末的典型特征。
西普曼走出了一条难熔金属球形粉末制备“理论、技术、设备、工艺、产品”创新的路子。采用气雾化方法，设备操作简单，产品纯度高，气雾化粉末已成熟运用于3D打印领域，可进行批量生产。通过一系列生产实践，西普曼公司目前已形成从设备到技术的两项知识产权。
7、EOS突破适用于3D打印的新型耐热铝合金材料
当前，市场对具有特殊性能的铝合金需求越来越旺盛，如耐高温、高强度、高韧性铝合金，在兵器、船舶、航空、航天、汽车等行业中具有广泛的需求。但传统的铝合金材料难以满足这些领域内耐高温、高比强等苛刻要求，开发符合高温服役条件的耐高温铝合金具有良好的发展前景。
2021年11月，EOS推出了一种新型铝合金材料Al 2139AM，该合金专为增材制造而设计，可在高达200oC的高温下提供卓越性能，据说是EOS推出的强度最高的3D打印铝合金，超过了目前市场上的许多类似材料。这种材料可以使用单步热处理工艺，EOS说这种工艺可以为企业节省高达88%的主动热处理时间。经过热处理后，Al2139 AM可达到约500Mpa的屈服和抗拉强度，部件可以进行电抛光和阳极氧化处理。新材料将于2022年初用于EOS M 290平台，其他EOS DMLS系统也将随之推出。改进的强度特性为客户带来了新机遇，可以在不影响强度的情况下显著减轻零件重量。
△EOS新推出的铝Al2139 AM 3D打印的轮架（来源：EOS）
同年12月，国内陕西兴华业也开发出一款拥有自主知识产权的耐高温、高强、高韧3D打印铝合金AK09系列，该材料在350℃条件下具有显著的高温性能，抗拉强度达到200MPa，屈服强度200MPa，延伸率11%。通过前期研发试制，该材料性能稳定，目前已开始小批量生产交付。
8、清华大学刘静团队开发出可用于立体功能电子快速制造液态金属“墨水”
传统的3D打印主要基于塑料、聚合物一类的材料，由此打印出的物件一般并不具备电子功能，而经典的金属3D打印针对的是高熔点金属粉末或线材，它们与非金属材料由于存在巨大熔点差而难以实现复合打印。近年来，随着液态金属印刷电子学的发展，以低熔点金属镓为基础的室温液态金属合金材料逐渐进入人们视野，在柔性电子、智能机器等领域得到广泛研究和应用。
看到3D打印电子设备存在的局限性，清华大学刘静教授带领的技术团队隐约意识到，在立体电子制造领域，液态金属有可能发挥其独特的作用。为实现这一构想，技术团队经过多次实验，于2021年11月利用3D打印技术制作出一系列复杂的立体结构，并在这种立体结构表面，覆盖对液态金属材料具有较高黏附性的高分子涂层，然后将其浸润到液态金属中，从而实现液态金属在立体结构表面的附着。
△转印上镓铟合金的样品 △覆盖液态金属涂层的立体结构在不同温度下的可调控力学性能
该成果以“Spatially selective adhesion enabled transfer printing of liquid metal for 3D electronic circuits “为题发表在国际期刊Applied Materials Today，相应探索为三维立体功能电子器件的快速制造开辟了一条重要而易于规模化普及的实用技术。
9、陕西兴华业三维耐高温、高强、高韧3D打印铝合金材料AK09
陕西兴华业三维科技通过对市场深度分析，通过3年潜心努力，开发出拥有自主知识产权的耐高温、高强、高韧3D打印铝合金材料AK09系列。并与3D打印设备厂商北京易加三维深度合作，经过多次产品迭代，共同研发出针对该新型材料的专用金属3D打印机，打印件的性能指标如下：
- 室温性能达到抗拉强度：500MPa，屈服强度：420MPa，延伸率：17%。
- 250℃高温性能达到抗拉强度：290MPa，屈服强度：280MPa，延伸率：18%。
- 350℃高温性能达到抗拉强度：200MPa，屈服强度：200MPa，延伸率：11%。
△室温、250℃高温、350℃拉伸检测报告
兴华业公司前期通过研发试制，材料性能稳定，目前已开始小批量生产交付。
10、6K增材公司推出用于3D打印的新型难熔金属粉末
6K增材公司凭借他们专有的UniMelt等离子系统生产新产品，包括高价值金属，如钨、铼和铌基合金。这些材料通常被用于高温和高强度部件上，因此6K公司的新产品系列主要是瞄准国防、航空航天和医疗领域。
6K的微波等离子体粉末生产工艺能够将机械加工的铣刀、车刀和其他回收的废料变成工业级的3D打印粉末。基于这一工艺，该公司的UniMelt系统被用来生产一大批材料，如Onyx In718、Onyx Ti64、铁合金、钴基合金、镍超合金、难熔金属，甚至高温陶瓷。此外，这套系统还具有高度精确的等离子体区域，零污染得优点。
6K增材司总裁Frank Roberts表示："我们现在已经可以将包括钽、铌和钼在内的全部耐火材料粉末进行球化处理，我们已经准备好帮助各组织推进他们对这些材料的应用。"
钨-铼粉末材料多被用于3D打印固体火箭发动机喷嘴的无损核心插件上，这一应用主要依赖于该材料的高温、高强度特性。此外，该公司还发现经6K球化的钨铼粉末在他们内部的SLM 3D打印机上加工过程特别顺利。
总结
金属3D打印材料的突破在拓展3D打印实用性方面发挥着很大的助力作用，毕竟原料的重要性对于终端应用的重要性是不言而喻的。回归现实，一方面，如今的金属3D打印在航空航天等关键部件应用上尚不能完全替代传统锻件，另一方面，随手可触及的金属3D打印对于日常大众来讲仍是不现实的。
遥望未来，金属3D打印技术走入各行各业还是任重道远，但是科技的发展，技术的突破，需要我们不懈地努力，攻坚克难。金属3D打印如何更好的实现多领域、全球化、生活化，已不再是不可实现的梦想，我们也更期望看到更多的、更富有创新的金属3D打印材料以及相关技术的不断突破，让这份美好早一点到来！
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