淺談粉末材料與金屬3D打印技術(shù)發(fā)展的關(guān)系

金屬3D打印技術(shù)自誕生之日起就與粉末材料有著密不可分的關(guān)系，可以說(shuō)作為“基石”的金屬粉末很大程度上決定了金屬3D打印技術(shù)的成敗與好壞（盡管最終質(zhì)量同時(shí)也受打印設(shè)備、工藝等因素的影響）。因此，金屬3D打印技術(shù)未來(lái)的發(fā)展前景也是與材料本身息息相關(guān)的，這就是為什么金屬增材制造想要在主流制造方式中占有一席之地，增材制造的材料科學(xué)領(lǐng)域就必須要跟著改進(jìn)。好消息是，南極熊了解到目前已經(jīng)有多家公司正在努力推進(jìn)材料技術(shù)，并且我們也看到了積極的相關(guān)成果。

Allegheny Technologies Inc.（ATI）就是這樣一家公司，它是金屬制造行業(yè)的領(lǐng)先者。這家公司總部位于匹茲堡，開發(fā)特種材料，并對(duì)其進(jìn)行塑形加工以滿足客戶要求。ATI主要作為3D打印金屬零件公司的原材料供應(yīng)商，同時(shí)它還為客戶打印金屬零件，這是2018年收購(gòu)總部位于康涅狄格州的Addaero Manufacturing的成果，目前這家公司主要是作為航空航天和國(guó)防工業(yè)生產(chǎn)金屬部件的增材制造商。

特種金屬開發(fā)商Allegheny Technologies專注于改進(jìn)金屬3D打印中使用的粉末。圖片來(lái)自ATI

ATI對(duì)3D打印的愿景是為了做出符合客戶標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。ATI的增材制造總監(jiān)莫里森（Brian Morrison）說(shuō)："我們制定了我們的戰(zhàn)略，并與支持我們?cè)诤娇蘸教旌蛧?guó)防領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵客戶群進(jìn)行了共同投資�？蛻粢揽课覀�?yōu)樵霾闹圃焯峁┎牧霞夹g(shù)，同時(shí)我們也作為合作伙伴進(jìn)行最終的零件生產(chǎn)。"必須提到的是，這家公司所擁有的完全集成化的AM供應(yīng)鏈還包括零件精加工的步驟。

據(jù)莫里森說(shuō)，3D打印吸引了ATI的航空航天和國(guó)防客戶，因?yàn)樗�能以幾種復(fù)雜的方式進(jìn)行處理設(shè)計(jì)。其一是促進(jìn)復(fù)雜部件的生產(chǎn)，這些部件用傳統(tǒng)方法很難，甚至不可能制造。他曾說(shuō)過(guò)：“使用AM技術(shù)，我們的客戶可以跳出框框，自由設(shè)計(jì)出性能更好的部件"。

另一種方式是，3D打印允許使用復(fù)雜成分的合金，這些合金可能對(duì)于傳統(tǒng)的制造工藝屬于重大難題。一個(gè)例子是ATI所生產(chǎn)的一種叫做鈦鋁的中間合金。莫里森說(shuō)："這是很難用任何傳統(tǒng)方式制造的，包括鍛造和加工。但它卻與增材制造技術(shù)非常契合，我們目前能夠提供生產(chǎn)航空級(jí)的零件。"

合金的進(jìn)步

材料科學(xué)的最新進(jìn)展是為參與金屬增材制造的人提供了更多更好的選擇。莫里森認(rèn)為金屬增材制造技術(shù)本質(zhì)上是微焊接工藝，但一些傳統(tǒng)的合金非常難以焊接。所以ATI對(duì)這些合金進(jìn)行了小的改動(dòng)，以改善它們的焊接性。

例如，該公司生產(chǎn)的一些高溫鎳基合金的合金含量很高，可能會(huì)導(dǎo)致打印件出現(xiàn)微裂紋。當(dāng)材料快速冷卻時(shí)，這種裂紋會(huì)惡化，產(chǎn)生高的殘余應(yīng)力。為了對(duì)付微裂紋，ATI對(duì)鎳合金中的碳和其他元素的含量做了些許改變。這些調(diào)整與3D打印參數(shù)的相應(yīng)變化相結(jié)合，產(chǎn)生了高性能、低缺陷的零件。

當(dāng)談到用于3D打印的金屬粉末時(shí)，ATI的增材制造高級(jí)主管、Addaero Manufacturing的創(chuàng)始人和前總裁梅里諾（RichardMerlino）補(bǔ)充道："下一個(gè)材料科學(xué)的前沿領(lǐng)域是回到原始配比上，縱觀現(xiàn)有的合金，這些合金在傳統(tǒng)產(chǎn)品形式中可能不受歡迎，但可以很好地用于增材制造，因?yàn)樗鼈兙哂辛己玫暮附有院偷蜌堄鄳?yīng)力等特性。"

這方面的例子是GRCop材料，即最初由美國(guó)航空航天局開發(fā)的銅合金。莫里森將這種合金描述為具有耐高溫的導(dǎo)電材料，用于火箭噴嘴和燃燒部件等與太空有關(guān)的項(xiàng)目。他說(shuō)，如今GRCop合金也被用于打印一些太空中應(yīng)用的原型部件。

除了生產(chǎn)特殊材料外，ATI還打印高端航空航天和國(guó)防部件。圖為該公司的GE Additive Arcam EBM Q20 AM機(jī)器之一

另外，開發(fā)適合于AM的新合金也是優(yōu)先考慮的問(wèn)題。Merlino表示他們公司正在研究的一種新型鈦合金，與傳統(tǒng)的TC4（3D打印中使用的主要鈦合金）相比，它會(huì)顯示出很廣闊的前景。

他解釋說(shuō)：“在基于激光增材的設(shè)備中，TC4中積累的殘余應(yīng)力會(huì)在打印過(guò)程中導(dǎo)致變形，這限制了可以制造的產(chǎn)品范圍。相比之下，正在開發(fā)的ATI合金在打印過(guò)程中具有更低的殘余應(yīng)力，以及更高的強(qiáng)度和耐溫性。這使你能夠在鈦金屬中構(gòu)建復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而你無(wú)法用TC4材料構(gòu)建�！�

此外，莫里森還指出了在開發(fā)鋁合金方面取得的進(jìn)展，這些鋁合金在3D打印過(guò)程中運(yùn)行良好，并提供比AlSi10Mg更好的性能，他稱AlSi10Mg是目前用于AM的 "主力 "鋁合金。將AlSi10Mg描述為一種低檔的鑄造合金，打印效果好，但在強(qiáng)度和延展性方面沒有什么優(yōu)勢(shì)。因此，與目前市場(chǎng)上的先進(jìn)鋁合金相比，它迫使人們?cè)谠O(shè)計(jì)上做出更多的妥協(xié)。他認(rèn)為這些合金的性能比AlSi10Mg好得多，但打印效果不好。所以人們正在努力解決這個(gè)問(wèn)題，并且正在取得進(jìn)展。

材料成本優(yōu)勢(shì)

在努力使金屬AM成為一項(xiàng)主要的生產(chǎn)技術(shù)的過(guò)程中，一個(gè)不可規(guī)避的因素是金屬粉末的成本，據(jù)梅里諾說(shuō)，他仍然經(jīng)營(yíng)著他創(chuàng)立的、ATI收購(gòu)的制造廠。Merlino表示："一般來(lái)說(shuō)，我們?cè)谶@方面沒有得到很多反饋。其中一個(gè)原因是，多年來(lái)材料的價(jià)格已經(jīng)下降了。此外，3D打印比傳統(tǒng)的制造方法更好地利用了材料。比方說(shuō)，你有一個(gè)極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)行機(jī)械加工。你可以從一個(gè)20磅的材料塊開始，最后得到一個(gè)1磅的零件。這并不罕見，特別是在航空航天和國(guó)防領(lǐng)域。因此，你通過(guò)購(gòu)買傳統(tǒng)產(chǎn)品形式的材料所可能節(jié)省的費(fèi)用都作為廢品消失了。"

莫里森說(shuō)：”與機(jī)械加工不同，AM幾乎百分百利用了為一項(xiàng)工作購(gòu)買的所有粉末，因?yàn)樵摴に噷⒘慵�打印成接近凈成形的形狀，任何剩余的粉末都用于后續(xù)零件。最后只有很小一部分被報(bào)廢了。

用鈦合金粉末3D打印的嵌套

大批量生產(chǎn)的難題

與金屬3D打印領(lǐng)域的其他公司一樣，ATI的金屬3D打印工作往往是小批量的零件生產(chǎn)運(yùn)作。要使3D打印技術(shù)躍升為大批量制造方式，還需要做出一些事情。

首先，Merlino說(shuō)：”工程師必須能夠更好地設(shè)計(jì)用于增材制造的產(chǎn)品。雖然有例外，但人們不一定知道如何設(shè)計(jì)以利用這項(xiàng)技術(shù)。這必須隨著時(shí)間的推移而做出改變，它將由大學(xué)里的學(xué)生和培訓(xùn)項(xiàng)目來(lái)推動(dòng)。"

此外，金屬3D打印機(jī)器的生產(chǎn)力必須提高。盡管Merlino看到了技術(shù)的進(jìn)步和每立方英寸制造時(shí)間的下降，但他仍認(rèn)為機(jī)器的速度不足以與鑄造競(jìng)爭(zhēng)。

一名操作人員在后期處理過(guò)程中從3D打印的零件上清除粉末

至于金屬3D打印中與材料有關(guān)的進(jìn)展，Morrision說(shuō)ATI正在努力改進(jìn)粉末霧化工藝，以提高生產(chǎn)能力和降低成本。一個(gè)目標(biāo)是使粉末在沉積成非常薄的層時(shí)能更好地?cái)U(kuò)散開來(lái)。

那么，金屬3D打印是否會(huì)繼續(xù)作為小批量生產(chǎn)的有效選擇？Merlino并不這么認(rèn)為。他認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)最終將為打開一個(gè)新的利潤(rùn)市場(chǎng)做好準(zhǔn)備：即大批量生產(chǎn)高度復(fù)雜的零件，而這些零件實(shí)際上無(wú)法用其他方式制造。他表示對(duì)于這樣的零件，性能上的優(yōu)勢(shì)證明了用增材技術(shù)進(jìn)行大批量制造是正確的，而這樣的應(yīng)用案例也將越發(fā)普遍。

ATI最近在北卡羅來(lái)納州的門羅開設(shè)的個(gè)高溫合金粉末生產(chǎn)廠