当前材料仍然是限制3D打印技术应用的关键因素，无论是专门的材料开发商还是如NASA或北航王华明教授团队这样的用户或技术开发团队，都试图开发出更高性能的材料。实际上，研究人员已经不仅仅在开发适合于3D打印成型的材料，也在利用3D打印技术开发新材料，而有些材料对于3D打印的工艺也会“非常挑剔”。

 

在总结2022年之前，3D打印技术参考先来回顾一下2021年本领域在工艺和材料方面取得的突破，它包括诞生了一批耐热铝合金、耐高温树脂及耐高温尼龙粉末等新材料，还实现了铝合金、铜合金等更多成形工艺突破。2022年，工艺、材料技术以及应用方面继续发展，它们覆盖了当前主流的3D打印工艺以及航空航天、汽车、医疗等多个应用领域。

 

 

1. NASA一种新型3D打印合金，将性提升1000倍

 

4月12日，NASA官网刊发消息，研究团队新开发出一种新型适用于3D打印的高性能合金，能显著提高航空和太空探索系统中零件的强度和耐用性，从而实现更好、更持久的性能。

 

 

使用3D打印制造的ODS合金

 

该新材料是一种氧化物弥散强化合金，被命名为GRX-810，其在极端温度下具有增强的机械性能。在约1000℃时，与当前最先进的材料相比抗压断裂强度翻倍、压裂前拉伸/弯曲灵活性增强3.5倍、在高温应力下的耐久性超过1000倍。NASA指出，这种新合金可用于制造航空航天高温应用环境下的零件，如飞机和火箭发动机内部的零件，它可以在达到断裂点之前承受更严酷的条件。3D打印技术参考注意到，热力学建模和3D打印为开发这一具有突破性能的新型高温合金发挥了重要作用。

 

评选理由：这款新的金属3D打印材料所带来的性能提升和影响力远超其他材料，是2022年最受关注的新材料之一。

 

2. 多款高性能铝合金

 

宝航公司发布了多款高性能铝合金

 

HS5601超高强度铝合金，这是一种适用于SLM工艺的超高强度铝合金粉末材料，其抗拉强度达到620Mpa，断裂延伸率8%，有望帮助解决航空航天等尖端应用部门对轻质高强材料的需求。

 

HT4251耐温铝合金，在250℃的高温下，抗拉强度稳定在264.5MPa、屈服强度稳定在198.5MPa，延伸率稳定在15%，表现出了优异的耐温性能。

 

HC 200双两百高导热铝合金，热导率超过200 W/(m·K，且抗拉强度高于200MPa，特别适用于新型散热器（尤其是微通道散热器）的设计和开发。

 

 

宝航公司发布多款高性能铝合金

 

一种用于3D打印的防爆铝合金粉末

 

2022年，Equispheres公司开发了一种用于增材制造的不易爆的铝合金粉末，可减少与3D打印材料的日常处理相关的危害。 

 

这种新材料被命名为NExP-1，专为铝合金部件的生产打印而设计，在不改变材料质量或化学成分的情况下实现了关键的安全特性。在打印方面，这种材料的性能与其他铝粉一样，但它具有不易爆炸和不易燃的外优势。

 

 

Equispheres公司开发的防爆铝合金

 

评选理由：铝合金一直都是金属3D打印领域应用的关键材料，在航空航天及汽车领域有广泛应用，以宝航为代表的高性能新材料的市场化无疑会推动行业应用的发展。

 

3. 一种热膨胀树脂3D打印工艺，将推动泡沫制造领域重要创新

 

传统制造泡沫市场面临着许多挑战——从限制设计的昂贵模具，到高昂的运输成本，再到特定泡沫设计中无法轻松调整的强度和肖氏硬度。3D打印技术参考注意到，Desktop Metal于2022年展示了其在泡沫3D打印方面的创新，采用子公司Adaptive 3D发明的弹性体3D打印技术，开发了新型泡沫材料，能够制造同时保持座椅预期性能和舒适度的轻型汽车和卡车泡沫座椅。

 

 

自由泡沫加热膨胀过程

 

采用FreeFoam树脂和ETEC Xtreme 8K DLP系统进行3D打印，部件可以在大约160-170°C的烘箱中通过短暂加热循环实现按需膨胀。打印部件包含分散的热活化发泡剂，可在材料内部形成闭孔。这种高度可控的工艺使FreeFoam树脂能够根据树脂的等级按照2-7倍持续扩大打印尺寸，从而在所需的公差范围内制造最终部件，同时可以调整想要的柔软度或硬度。这种新工艺允许3D打印机生产比打印机原始构建区域更大的最终泡沫部件，并使泡沫产品能够以紧凑的尺寸运输，用户只需在组装或使用时使其膨胀展开即可。FreeFoam材料预计将于2023年广泛商用。

 

评选理由：这种新工艺允许3D打印机生产比打印机原始构建区域更大的最终部件，并使泡沫产品能够以紧凑的尺寸运输。对于泡沫制造，这是全新的工艺和材料；对于3D打印，这也是一种全新的展现形式。

 

4. 一种新型光固化3D打印工艺，能够处理50倍于标准的高粘度树脂

 

2022年，3D打印机制造商BCN3D推出了一种新型的高粘度树脂立体光刻制造Viscous Lithography Manufacturing(VLM)技术，能够处理比行业标准高50倍的高粘度树脂，获得了3倍于刚性材料的抗冲击性和200%的扛撕裂强度增量。这种工艺的特殊性完全不同于此前的打印方法，为处理高粘度树脂创造了条件。

 

 

高粘度树脂层压与打印过程

 

VLM与大多数其他LCD 3D打印机不同，它利用了一种特殊的机械系统，首先将树脂层压到薄膜上，然后该薄膜会被运送到树脂固化的构建区域，再通过曝光实现切片层的成型。由于VLM树脂可以在两种不同的薄膜上（左右两个树脂槽）层压和固化，因此可以加快打印时间，甚至可以将两种树脂组合用于多材料部件和可溶性支撑结构——这是当前树脂3D打印市场上未曾见到的功能。通过使用UV灯和LCD屏幕，无论一次打印1个部件还是100个，VLM都能提供恒定的每层打印时间，从而具有极高的吞吐量。

 

评选理由：这种快速成膜和大表面积成型的结合使VLM成为市场上使用高粘性树脂的最高效的增材制造解决方案。

 

5. 弗劳恩霍夫新工艺丨电弧+激光混合金属3D打印技术

 

电弧增材制造以金属丝为原料、电弧作为热源，可以进行大尺寸金属零件快速、高效制造。同时，基于该工艺的设备简单、材料利用率高、成本更低。但3D打印技术参考根据相关文献，电弧增材制造过程以高温液态金属熔滴过渡的方式进行，随堆积层数的增加，堆积零件热积累严重、散热条件差、熔池过热、难于凝固、堆积层形状难于控制。特别在零件边缘堆积时，由于液态熔池的存在，使得零件的边缘形态与成形尺寸的控制变得更加困难。这些问题都直接影响零件的冶金结合强度、堆积尺寸精度和表面质量。由此可见，成形形貌的控制是金属零件增材制造技术的主要瓶颈。

 

 

COLLAR Hybrid（同轴激光电弧混合）加工头结构示意图

 

为解决该问题，弗劳恩霍夫激光技术研究所在今年开发了一种将电弧增材制造和激光沉积融合在一起的混合金属3D打印技术，这种被称为COLLAR Hybrid的工艺能够提高焊接速度、获得更优的表面质量并推动电弧金属3D打印的应用。在新工艺中， 研究人员使用同轴定向的环形激光束包围电弧，使其不会脱离，通过强制引导它来提高精度。研究发现，新工艺的材料沉积效率最高可提高150%，相比电弧沉积速度提高了一倍，零件表面质量也显著改善，所需要的后处理也大大减少。

 

评选理由：弗劳恩霍夫激光技术研究所一直是激光技术和3D打印技术的高端研究机构，电弧增材制造也越来越多的用于制造大尺寸构件，这种新的对电弧的控制策略将减少其应用障碍。

 

6. GE航空最新：合并150个零件，3D打印1米直径高温合金发动机部件

 

10月，3D打印技术参考注意到，GE 航空采用GE Additive的粉末床激光熔融装备3D打印了直径1米的In718高温合金航空部件，这是该公司使用金属3D打印工艺制造的尺寸最大航空航天零件之一。通过将150多个零件合并为一个，采用3D打印代替传统铸造，使零件的质量和成本降低了30%，交货时间也从九个多月减少到两个半月，显示出巨大的成本、重量和时间节省。

 

 

评选理由：GE Additive最具代表性的技术能力便是大范围合并设计传统零件，使其成为一个整体进行3D打印制造。在过去几年，该公司已经实现了大量经典案例，如知名的Leap发动机燃油喷嘴、GE Catalyst发动机中框组件与燃油加热器等。大量合并零件将带来提高部件寿命、缩短供应链、减少成本等在内的大量的改变。本年度3D打印的1米直径高温合金部件，是迄今为止已报到的该团队3D打印的最大尺寸合并零件，使零件合并与制造达到了新的规模。

 

7. Relativity Space升级3D打印技术，能水平打印超30米大型零件

 

2022年，使用先进3D打印技术制造火箭的民营航天公司Relativity Space宣布推出其第四代Stargate 3D打印机，其完全不同于此前常见的垂直方向打印和主流成型尺寸的装备类型。

 

 

 

第四代系统“克服了传统的打印限制”，打印机可以水平移动并能够将多根金属丝送入单个打印头。前三代Stargate打印机的打印速度已经远远超过了行业标准，Stargate 4的打印速度比上一代快7-12倍。Stargate 4消除了影响3D打印机垂直打印高度的天花板限制。通过水平打印，能够生产长达120英尺（约36.5m）、宽24英尺（约7.3m）的零件，打印体积容量是之前第三代产品的55倍。同时需要注意的是，更大的打印尺寸，意味着可以合并更多的零件，火箭的零件组成数量将进一步降低，火箭的总体制造速度也将提升。

 

评选理由：新的Stargate采用先进的“感知技术”，将计算机视觉、传感器和遥测技术相结合，以实现实时过程监控。这种自上而下的3D打印生产方法，利用软件驱动、机器学习来创建更复杂和更大的金属零件，使该行业实现了前所未有的创新以及颠覆性发展。

 

8. 3D打印用于青藏高原水电站建设，引广泛关注

 

中国采用3D打印建设大坝的项目，在2022年获得了国内外的广泛报道。3D打印技术参考查询到了与该项目相关的一篇论文——《大型填筑工程3D打印技术与应用》，作者为刘天云副研究员，也就是羊曲大坝项目的首席科学家。文章指出，将人工智能、工程装备、工程技术与工程科学深度交叉融合，实现填筑工程智能建造的+3D打印技术时机已经成熟。

 

 

研究团队已研发了多种人工智能机器人协同作业的填筑工程+3D打印装备技术系统，并开展了多项示范工程实践。羊曲水电站从2021年12月26号开工，预计到2024年完工。新技术的使用能够使人们摆脱繁重、重复和危险的工作。

 

评选理由：将3D打印技术概念运用到如此大型的工程建设中，羊曲水电站的尝试尚属世界首例。

 

9. 金属+陶瓷 | 一种基于烧结，可实现多材料3D打印一体成形的方法

 

不同于Xjet的纳米材料喷射工艺，Grid Logic公司开发的是一种采用传统粉末冶金技术进行多材料3D打印的工艺，可以在同一工作中3D打印金属和陶瓷。其采用基于粉末的3D打印，没有复杂的喷墨或激光系统，也没有铺粉装置，而是使用挤出式3D打印头进行粉末选择性沉积。在打印的过程中，不同的打印头会在所需要的位置施加不同的材料。打印完成后，将带有所有粉末的整个构建室放入烧结炉中，金属/陶瓷颗粒以传统方式熔合在一起，支撑粉末在烧结过程中继续支撑金属和陶瓷材料，并在一定程度上可以重复使用。

 

评选理由：这种无热量输入的打印方式使加工高熵合金和磁性粉末更为容易，同时，也为高反射金属的3D打印带来了机遇。包括铜以及钨和钼这些难熔金属，往往会反射激光束，但在烧结时不会造成这样的困难。即使是需要非常高温度才能熔化的陶瓷，也可直接使用该工艺，而无需浆料或其他中间材料形式。铝、钢、青铜也可以与其他金属一起打印，并在烧结过程中发生熔渗。3D打印与传统粉末冶金相结合，为制造带来了更多可能性。

 

10. 混合DLP-SLA技术，实现高效率、高精度3D打印

 

10月，阿姆斯特丹大学同意将混合立体光刻技术授权给数字光处理 (DLP) 3D 打印机制造商atum3D。这种混合工艺结合了面曝光和立体光刻技术，能够大规模生产具有高分辨率特征的部件。一旦商业化，该技术可用于满足医疗研发需求，创建具有临床研究应用的组织支架或微流体设备。 

 

在技术层面，零件分层图像的填充部分以低分辨率采用DLP面曝光成形，具有极高的效率；为了实现微观特征，用户可以在这些层中部署预定义的光掩模，甚至可以在层之间切换光掩模图案，以创建具有重复特征的部件。到目前为止，工程师已利用这项技术成功地建立了一个概念验证装置，该装置产生了特征尺寸小于10微米的零件，但理论上它的分辨率还可以更高。

 

该技术与Axtra3D于去年推出的HPS技术可能有所不同。

 

评选理由：该技术将高效率和高精度结合在一起，可能会增加应用的机会并开辟新的应用空间。

 

11. 其他项目

 

宝马集团IDAM金属3D打印推进计划成功实施

 

通过将金属3D打印集成到汽车行业传统生产线中，IDAM计划每年至少批量生产50,000个组件和10000个零配件用于汽车生产，同时保证零件的一致质量并释放目前极高的成本压力。

 

钨金属开辟基于烧结的挤出3D打印工艺

 

纯钨采用基于激光的粉末床熔融工艺成形，易导致残余应力并引起开裂且难以避免，钨合金也难以在SLM成形过程中保证各成分的可控性。升华三维开发的挤出工艺和专有的钨材料粒料为钨金属开辟了基于烧结的高性能零件3D打印解决方案。

 

Raise3D、BASF新突破

 

Raise3D在FFF专业级3D打印领域取得突破，推出了针对Pro3系列3D打印机的Hyper Speed高速升级套装。

 

BASF突破了陶瓷隔离薄层3D打印技术，用于金属丝材挤出工艺，使支撑不会直接粘连零件，从而使基于烧结的金属3D打印零件能够快速去除支撑。

 

华科团队在3D打印多领域取得重要进展

 

华科在3D打印研究方面具有领先地位，3D打印技术参考注意到，华科史玉升教授在PEEK激光烧结设备研制与临床应用以及SiC粉末床3D打印成套技术方面取得了重要进展；华科丁烈云院士团队在月球基地3D打印方面则实现了“从0到1”的重大突破。

 

iCLIP新技术，将CLIP技术的3D打印速度再提高10倍

 

斯坦福大学的研究人员提出了一种新的被称为iCLIP的新技术，在Carbon提出的CLIP技术的基础上，将树脂3D打印的速度又提高了10倍，还提高了可打印树脂的粘度上限，并支持多种树脂同时打印。

 

END

 

需要注意的是，3D打印技术参考尽力总结那些已经离开实验室并取得实际应用的突破，但又无法做到完全遵循这一原则。新工艺和新材料的发展旨在解决过去难以解决的问题，并进一步提升3D打印工艺的实用性。

 

这些盘点中，绝大多数的新工艺和新材料已经实现了商业化，并大有改变相应领域制造模式和极大提高产品性能的趋势。在应用方面，由于应用的快速发展使极具代表性的案例评选变得困难，但本文所述的应用仍然具有代表性。这是因为大规模集成化制造，大尺寸、超大重量级别的制造，更为宏观的超大规模制造以及未来外星基地的建造，这些案例仍然鲜见。

 

记录2022，展望2023，3D打印技术在新的一年将会有更多精彩。