预测：未来五年金属增材制造将取得五个关键进展

Newgate 9年前 (2016-03-01) 5801浏览

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材料牛注：金属3D打印技术在过去五年间呈爆炸性发展。卡内基梅隆大学未来制造中心的Beuth大胆预测了未来五年，金属增材制造将取得五个关键性进展：工艺设计、监测与控制、微观结构控制、粉末材料种类以及孔隙率的控制。金属3 D打印已经到了一个关键的转折点，研究与商业应用之间“死亡之谷”或将一跃而过。

2016年，金属3D打印技术的发展已硕果颇丰。从纳米级粉末到23.98美元的低成本制造设备，金属增材制造（AM）的发展如火如荼。

沃勒斯协会的报告图显示，该行业在过去五年间呈爆炸性增长。金属3D打印机的销售量仅2013年一年就增加了75%。

金属3 D打印机销售量（Y轴）/年（X轴）（图片由沃勒斯协会提供）

最近，英国的一家金属粉末公司签收了一份2000万英镑的投资，用于该公司的粉末材料在航空、汽车和医疗各行业的商业化推广。

卡内基梅隆大学未来制造中心的Beuth介绍：“我以前从未见过此类领域的研究。纵然增材制造已经存在20年了，但四年前才应用于自动化生产3D零件。从那时起，经联邦航空局认证的3D打印零部件，被我们尝试性的用在一些航空公司的引擎上。”

那未来的五年该行业会是什么样子呢? 近日，Beuth预测了未来五年里，金属增材制造将取得的五个关键性进展。

一：工艺设计

用户可以同时设计增材制造工艺和几何构型。

Beuth说：“如同电子束功率和行驶速度的研究一样，当前金属增材制造工艺限制在一个非常狭窄的范围中，同时粉末材料的研究也十分有限。”

按照Beuth的说法，原因在于金属增材制造技术还处在实验性开发阶段。倘若一旦发现电子束功率和行驶速度相结合的研究成果，那其他研究结果也就了然无味了。

除了粉末，金属增材制造技术中还有5个主要的过程变量：电子束功率、电子速传播速率、堆积厚度/材料给进率、局部几何形状、熔点。

Beuth 预测道：“在未来，你的手边会有各种各样的粉末材料，同时也更了解如何调整工艺使各种粉末各尽其用。也就是说，你会有一个广泛的过程变量，从而得到一个可控的结果。”

二、监测与控制——用户将能够监测和控制加法制造过程。

Beuth认为：“当前工艺条件下，最早是一个或两个热电偶监测整个箱体温度。有些流程甚至在一个控制回路中根本用不到这些信息”。

自监控EOS系统控制下制造的3D打印金属部件（图片来自Tom Lansford）

但这不仅仅是改良尺寸和温度传感器，还需要增添新的东西，比如激光粉末层影像仪。该仪器是Beuth和他的同事利用光学系统，用以捕捉粉末层融合前后的影像。

Beuth说：“未来五年内提高检测水平迫在眉睫。如果截取制品的一部分，发现有些地方并未焊透，那就应该通过机器文件看看问题所在。下一步反馈给控制器，以调整工艺流程并解决问题。”

三、微观结构控制——用户可以通过控制过程变量，在不同的位置改变该部位部分材料的微观结构和性质。

未来制造中心的一个主要目标就是发现问题，并用前馈法来控制增材制造工艺流程。Beuth和他的同事们相信，工程师能够控制3D打印过程中的变量，使某个部分的微观结构获发生特定的变化。

纳米级金属材料3D打印（图片来自Alain Reiser/苏黎世理工学院）

Beuth说：“我们展示了在ARCAN过程中（电子束粉末层处理）如何做到这一点，对于钛合金Ti-64而言，我们利用该系统操作了部分微观结构。”他又说：“除了我们没有人能够做到这一点，但其他人在慢慢接近。可以预见五年后，通过控制变量来改变微观结构的技术将随处可见。

四、更多粉末材料种类

直接激光烧结（图片来自Tom Lansford）

在未来五年里，将主要探索不同直径的金属粉末。然而，进一步展望未来五至十年，由于金属在增材制造过程中冷却率高的特点，Beuth预测了新合金的蓬勃发展。

Beuth说：“对于某些材料，如果你知道条件，你就可以使用这些合金获得更好的材料属性。但到目前为止，没有任何工艺有着如此高的冷却速率。我的同事在机械工程和材料科学部门饶有兴致地探索新合金，但仍是在早期阶段而已。”

五、孔隙率控制

用户将能够消除或设计内部孔隙，这将对疲劳强度产生重大影响。

目前，3D打印使用的打印机采用默认设置时，一些金属的孔隙是不可避免的。如果该部分受到循环载荷的作用，那么孔隙就可能形成起动裂纹，这对于金属而言是个非常严重的问题。

孔隙主要有以下几个来源：金属粉末之间存在的孔隙；未焊透（有些粉没有熔解）；缩孔（金属局部蒸发和熔融金属补缩不及时，冷却形成孔隙）

Beuth说：“第一种可以通过与粉末材料公司合作消除，其他两个可以通过改变工艺过程处理。目前我们能够很好的处理其他人不能处理的问题，但在五年后这将不再是难题。”

除了消除孔隙的方法，Beuth相信工程师们将很快能够控制该工艺。

Beuth说：“正常来说，我们的首要目标是得到均匀的组织和性质，让它更容易设计和理解。同时致力于细化该材料的颗粒尺寸，而且让一部分产生集中应力而获得高强度，类似于钢的表面淬火。目前工程师们不仅仅设计了该部分，而且还设计了该工艺流程，可使该工艺更快进行或得到更好的表面光洁度。目前，此项技术甚至达到了逐点设计的水平。”

金属3D打印和“死亡之谷”

增材制造在未来的行业中的作用仍然是一个颇具争议的话题，但金属3D打印可能已经到了一个关键的转折点。