2020年11月5日，应中国船级社（CCS）上海规范研究所的邀请，有幸参加了编制完成的《增材制造检验指南》评审稿的评审会。
在参加此次会议过程中，与业内专家进行了面对面的交流，并对增材制造（Additive Manufacturing，AM）相关技术标准（ASTM、EN、GB及ISO）的发布情况进行了检索，对增材制造有了粗浅的认识。在船用产品船级社规范方面，继DNVGL、ABS、BV和LR之后，CCS也将把增材制造的船用产品及相关修复技术纳入了该社的认可范畴中。可喜可贺。
增材制造是一个庞大的话题，本文仅就其发展历程和金属材料的3D打印做一个简单的介绍。
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3D打印发展史
什么是增材制造？按照GB/T 35351-2017增材制造 术语的定义，增材制造是指以三维（3D）模型数据为基础，通过材料堆积的方式制造零件或实物的工艺。增材制造通常也称为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《贸易的工具》中描述，该故事发表在1950年11月的《惊人的科幻》杂志上。在那篇文章中，他把它称为“分子喷射”。
1971年，约翰内斯·F·高特瓦尔德(Johannes F Gottwald)申请了液态金属记录器(US3596285A)专利，这是一种连续喷绘金属材料的装置，在可重复使用的工作台面上构造可拆装的金属部件，可立即投入使用，也可通过重熔回收用于再次打印。
这似乎是第一个描述快速原型和受控按需制造图案的3D打印专利。1974年，大卫·琼斯(David E. H. Jones)在《新科学家》(New Scientist)杂志的定期专栏《阿里阿德涅》(Ariadne)中提出了3D打印的概念。
早期的3D打印设备和材料在20世纪80年代发展起来。1981年4月，名古屋市工业研究所的小玉秀男（Hideo Kodama）发明了两种利用光硬化聚合物的3D打印三维(3D)塑胶模型的方法，其紫外线照射面积由掩模图形或扫描光纤发射机控制。他为这款XYZ绘图仪申请了专利，并于1981年11月10日发表。(JP S56 - 144478)。
他的研究成果作为期刊论文发表于1981年4月和11月。然而，外界对他的一系列出版论文没有反应。他的设备在实验室没有得到高度评价，他的老板也没有表现出任何兴趣。他的研究预算只有每年6万日元(约合545美元)。他获得的XYZ绘图仪的专利权最终被放弃了，项目也终止了。
1984年7月2日，美国企业家比尔·马斯特斯（Bill Masters）为他的“计算机自动化制造过程和系统”申请了专利(US 4665492)。该申请在美国专利商标局备案，作为历史上第一个3D打印专利：这是属于马斯特斯的三项专利中的第一项，这为今天使用的3D打印系统奠定了基础。
1984年7月16日，Alain Le Méhauté, Olivier de Witte和Jean Claude Andre申请了立体光刻工艺的专利。法国发明家的应用被法国通用电气公司(现在的阿尔卡特-阿尔萨姆)和CILAS(激光财团)放弃了。其声称的放弃原因是“缺乏商业视角”。
1984年，在法国人申请专利的三周后，3D系统公司的查克·赫尔（Chuck Hull）申请了他自己的立体光刻制造系统的专利，在该系统中，通过紫外光激光固化高分子光聚合物，将原材料层叠起来。赫尔称这一程序可以“通过创建打印目标物体横截面之间的联系来打印3D物体”，但该程序已由小玉发明。
赫尔的贡献是设计了STL（立体光刻）文件格式，该格式被广泛应用于3D打印软件和数字切片与填充。1986年，赫尔的系统被授予专利，他的3D系统公司发布了第一款商用3D打印机，SLA-1。
迄今为止，大部分3D打印机，特别是3D打印爱好者使用的和针对消费者设计的3D打印机，使用的大都是采用熔融沉积建模技术（FDM），这是塑胶挤出的特殊应用。该技术1988年由S. Scott Crump开发，并由他的公司Stratasys商业化，该公司在1992年推出了其第一台FDM机器。
在20世纪80年代和90年代，针对金属烧结或金属熔化（例如选择性激光烧结，直接金属激光烧结和激光选区熔化）的增材制造技术，通常采用不同的名称。
在那个时代，所有的金属加工都是通过现在被称为非添加工艺(铸造、制造、冲压和机械加工)来完成的;虽然大量自动化应用于这些技术(如机器人焊接和CNC)，在金属加工中，刀具或机头通过三维工作包将大量的原材料转换成所需的形状，这一想法只与去除金属(而不是添加金属)的过程有关，如数控铣削，数控电火花加工，以及许多其他的方法。
但后来被称为“增材制造”(additive manufacturing)的添加金属的自动化技术开始挑战这一基本假设。20世纪90年代中期，斯坦福大学和卡耐基梅隆大学开发了新的材料沉积技术，包括微铸造和喷涂材料。牺牲性和支撑材料也变得更加普遍，使物体获得新的几何形状成为可能。
1993年还成立了一家喷墨3D打印机公司，最初命名为Sanders Prototype,Inc，后来命名为Solidscape，引入了一种具有可溶性支撑结构的高精度聚合物射流制造系统(被称为“点对点”技术)。
1995年，Fraunhofer Society开发了选择性激光熔化工艺。
2009年，熔融沉积建模(FDM)打印工艺专利到期。
2012年，Filabot开发了一个系统，用于塑料的封闭循环，并允许任何采用FDM或FFF技术的3D打印机能够打印更广泛种类的塑料。
2014年，Benjamin S. Cook和Manos M. Tentzeris演示了首个多材料垂直集成打印电子元器件的增材制造平台(VIPRE)，该平台实现了功能电子的3D打印操作，电子器件的工作频率高达40 GHz。
“3D打印”一词最初指的是用喷墨打印机机头一层一层地将粘结剂材料沉积到粉末床上的过程。最近，主流文化已经开始使用这个词来代表更广泛的增材制造技术，如电子束增材制造和选择性激光熔化。但是，在美国和全球技术标准中，通常使用官方术语“增材制造”来描述以便包容的更广泛的内涵。
最常用的3D打印技术(2018年占46%)是一种被称为熔融沉积建模(FDM)的材料挤出技术。虽然FDM技术是在另外两种最流行的技术——立体光刻(SLA)和选择性激光烧结(SLS)之后发明的，但FDM通常是三种技术中最便宜的一种，远远超过其他技术，这使得FDM技术更受欢迎。
金属3D打印的兴起
在1990年代金属3D打印技术的概念中，能加工的材料范围很小。从那时起，多项技术进步（激光技术，粉末冶金技术等）使多种金属的3D打印技术得以实现，而且，每一次技术突破都带来了新的应用。
金属3D打印中的第一个应用是快速原型（rapid prototyping）：航空航天业也已使用该技术很多年，其他行业的工业生产应用也正在快速增长。
接下来，我们一起来简单了解一下3D打印中最常用的金属，以及这些金属如何满足3D打印的要求。
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高性能材料
由于增材制造（AM）的成本相对较高，因此，高性能设备是可使用AM的应用之一，例如航空航天，国防或能源行业。近年来，在这些应用领域，诸如钛，铬镍铁合金（inconel），铝或钢的材料已经取得了许多进步。
1）钛基合金
钛基合金以其高的比强度，刚度和耐腐蚀性而著称，在航空，生物医学和化学工业中广受欢迎。如上表所示，与其他高性能材料相比，这些合金的抗拉强度很高，而其密度仅为4.4 g / cm3。
高温下的高反应活性是钛基合金在加工时面临的挑战之一。为防止其与氧气或氮气发生反应，加工过程必须在真空或氩气气氛下进行。
电子束熔化（Electron Beam Melting，EBM）由于使用真空处理室而通常被用作钛基合金的加工方法，近年来，选择性激光熔化（Selective Laser Melting ，SLM）和定向能量沉积（Directed Energy Deposition，DED）的发展也使钛的3D打印成为可能。目前，3D打印领域的领先公司（例如Materialize和3D Systems）均可提供钛基合金的AM服务。
由Materialize打印的具有支撑结构3D的钛零件。
2）铝及其合金
铝由于其重量轻，耐腐蚀和机械性能良好而被广泛用于航空和汽车等许多行业。直到最近，铝合金的AM应用才受到限制，因为它们更适合采用低成本生产的传统制造技术，在成本方面，AM几乎没有优势。
铝及铝合金在3D打印方面也遇到了一些挑战，包括铝本身的激光反射率高，在铝表面形成的氧化物。如今，铝的3D打印大多是小批量件。工程师们正在大力改进技术并降低成本，预计在不久的将来，铝将成为3D打印的最重要材料之一。
人们对铝合金也很感兴趣，如AlSi(铝硅合金)或FeAl(铁铝合金)，由于铝的使用，它们改善了机械性能，保持了较低的重量。
3）镍基高温合金
还可以3D打印耐高温金属，例如Inconel，它们可以在高达1100ºC的温度下工作。这些镍基高温合金还具有高强度和优异的耐腐蚀性，非常适合于航空航天业和能源行业。此外，由于其良好的可加工性，可相对容易地使用包括SLM和DED在内的各种3D打印技术来生产零件。
AM的镍基高温合金可用于需要高强度，耐高温和复杂几何形状的燃气涡轮叶片中。
4）钢
钢是最便宜的3D打印材料之一，它具有高强度，良好的工作温度范围，并且由于其延性好而易于加工。实际上，几乎所有金属3D打印技术（例如SLM，DED和粘结剂喷射（Binder Jetting））都可用于钢的加工。
您甚至可以在家中进行钢的3D打印。ColorFabb公司提供了一种专用的细钢丝，你可以用挤出增材制造方法在家进行3D打印。
我们可以将与3D打印相关的钢分为两类：工具钢和不锈钢。AM行业的大多数领先公司都提供了生产钢制零件的可能性。例如，Formetrix公司 （以前是NanoSteel的增材制造业务部门）可提供3D打印工具钢的服务，这种钢可用于制造工具，模具、轴承和齿轮。316L不锈钢是3D打印中最常用的一种。它的典型应用是制造涡轮增压器的压气机叶轮，可以使用SLM或DED技术实现。
用ColorFabb的SteelFill打印的钢质雕塑，和316L不锈钢打印的压气机叶轮
5）铜及其合金
铜是一种以高导热性和高导电性而著称的材料，具有广阔的应用前景。
但3D打印这种材料面临诸多挑战。铜是一种高反射性材料，这意味着通常用于3D打印其他金属（例如钢或钛）的激光束能量，大部分会被铜反射掉。
为了解决这个问题，Fraunhofer ILT的研究人员选择使用了绿光激光，并用这种技术生产出高密度的零件样件。在不久的将来，这种技术也有望制造出具有几何形状复杂的物体，这为工程师们带来了大量的机会。
Fraunhofer ILT在SLM加工铜时采用了绿色激光
目前，可以3D打印铜基合金，例如青铜和黄铜。青铜和黄铜因其抗盐和海水腐蚀的性能而广泛用于海洋应用场景中。最近，利用SLM和Wire Arc AM制造了青铜样品。此外，两项研究均报告了与传统铸造样品相比，3D打印的产品具有优越的机械性能。
6）银，金和铂
贵金属AM在珠宝，航空航天和电子行业中有应用；然而，用于高性能零件的贵金属材料加工技术仍在发展中，目前仅在珠宝行业中可用。大多数采用粉末床熔融（powder bed fusion）技术的公司都可以使用贵金属（例如银，金或铂）进行3D打印。
例如，EOS公司与Cookson Precious Metals（CPM）合作，证明了将AM用于黄金制品的生产实例，这不仅为珠宝设计师提供了更大的自由度，也证明了粉末床熔融技术在制造用材更少，成本更低的珠宝方面具有巨大的想象空间。
金，银和其他材料的不同混合物被用于生产不同颜色的珠宝。例如，黄金（75％的金，12％的银），红金（75％的金，4.5％的银），白金（75％的金，3％的银，14％的钯）。
其他公司，例如Materialize，提供了一种名为“失蜡打印及铸造”（Lost Wax Printing＆Casting）的3D打印技术生产贵金属物品的可能性。该方法包括使用立体光刻技术制作3D打印蜡模；接下来，使用蜡型创建石膏模，通过常规铸造工艺在石膏模中完成最终对象的制作。通过使用该技术，可以制作金、银、青铜、黄铜和铜制品，主要应用包括首饰、精细微雕和雕塑。
展望
3D打印行业目前发展飞速，与传统制造相比，3D打印能够克服传统制造的一些缺点，目前3D打印的部分适用范围和领域已被制造业认可，传统制造业经过了数百年的积累和发展，在生产工艺，生产技术，材料等方面非常成熟，并形成了配套完善，功能齐全，社会各界广泛认可的产业基础，在现阶段，3D打印与传统制造并不是替代与被替代的关系，而是互补的关系。
3D打印技术拥有不可忽视的自身优势，行业专家认为：
（1）以3D打印和大数据为基础的分布式制造模式，将彻底打通互联网和制造业。
（2）要打造分布式制造点，其待解决的核心问题之一就是必须拥有以庞大的设计作品为基础的设计师平台。
（3）互联网+3D打印平台+分布式制造模式的建立，将会是3D打印行业未来发展的趋势。
而3D打印技术的局限性主要体现为：
（1）精度低，温度对于FDM成型效果影响非常大，而桌面级FDM3D打印机通常都缺乏恒温设备，增材制造另外在出料部分缺少控制部件，致使难以精确地控制出料形态和成型效果，这些原因导致桌面级FDM3D打印机的成品精度通常为0.1～0.3毫米。
（2）强度低。受工艺和材料限制，打印物品的性能强度低，尤其是沿Z轴方向的材料强度比较弱，达不到工业标准。
（3）打印时间长，需按横截面形状逐步打印，成型过程中受到一定的限制，制作时间长，不适于制造大型物件，需要支撑材料，在成型过程中需要加入支撑材料，在打印完成后要进行剥离，随着技术的进步，市面上已经有水溶性支撑材料，该缺点正在被逐步克服。
金属3D打印已经在多个行业提供了多种应用，更重要的是，这种应用的数量仍在不断增长。此外，提供3D打印产品和服务的大量竞争性公司正在增加其可供打印的材料目录，以寻找新客户并扩展到新的领域。
在未来几年中，我们可以预期3D打印行业将保持相同的增长路径。金属3D打印终将好成为我们期待的颠覆性技术。
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
文章来源: 知钢网, 作者:孙忠明
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