3D打印是小孩玩具？不！它是大国重器！

科技

2023-05-22 14:05

酷玩实验室作品

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最近NASA新闻发布了一件事情，它和俄亥俄州立大学科学家携手，制造出了迄今最具弹性的超级合金GRX-810。

这种合金有多厉害呢？在1,093°C和20 MPa（197倍大气压）的恶劣工作环境下，目前的顶级镍基合金材料AM718材料通常在10个小时后就发生缓慢的材料塑性变形破裂。其他合金，顶多也就坚持个几十小时而已。

但是GRX-810那可就完全不一样，光是要让他变弯1%就要花2800小时，让他原地破裂则更是要6500小时，就突出一个持久。

此外超级合金GRX-810 由于掺杂了Y2O3相比于其他合金强度提高了1倍，延展性提高了两倍。而在1093°C高温炙烤下它的抗氧化性相比于超级合金718提高了两倍，而且完全能够抵抗1200°C的高温。

这意味着什么呢？我们是不是好像离制造出钢铁侠的衣服又近了一步。

当然我们肯定不会先拿这种高级货造钢铁侠衣服那种玩具。正如它赞助商NASA的主业，这款超级合金将主要应用于航空航天领域，尤其是涉及高温高压的部分。

这种超级合金的制造工艺并不是其他方法，而是在b站经常见到的3D打印。

但是不同于其他常见的基于树脂等材料的3D打印，它则属于一种我们相对不怎么熟悉的3D打印类型——金属粉末床3D打印。

今天我们来说一下3D打印和它高端大气却不为人知的一面。

3D打印技术我相信小时候很多人都梦想过。我们把一堆沙子堆在一起，然后利用魔法把它捏成一件绝世神兵，成为世界第一。这种中二想法不是只有我一个人吧，哈哈哈哈。

现在科学已经实现了这个魔法，只不过捏沙子的手不是人手，而是机器。而这项技术就是未来可以打印万物的3D打印技术。

很多人对于3D打印还有一种非常模糊的认知，认为3D打印不就打印一下树脂小兵或者各种玩具吗。制造宇宙飞船的合金那还轮不到3D打印。

那你可就小看了3D打印了，现在的3D打印可不能和当年的3D打印同日而语了。要知道自从1984年，有过两次被放弃专利经历的3D打印技术，正式成为专利以来，3D打印已经历经40年的风雨。

如果3D打印只有这一点发展，你就太小看世界最强大脑们的脑洞了。

3D打印技术现在又被称为增材制造技术，因为它制造的每一点都是增加材料的用量，而不是像车削工艺那样，减少材料的用量。

去年刺杀安倍的名枪，就是刺杀者在家里3D打印出来的。这事如果放在古代，按照日本传统，高低得给这把枪取个“XX切”的名字。

这是不是已经颠覆你的认知了?

那我们就再说一个“菜俄”笑话，坊间早有传言，由于生产线破损，当年一度有些米格31战斗机的细小零件没有了生产商，军方也没法搞一个生产线。为此俄罗斯那边搞了一些竞赛，看怎么修复和改进相关零件的供应链。

最后怎么解决的呢？

下诺夫哥罗德“雄鹰”飞机制造厂首席设计工程师阿列克谢，花了2000块钱从中国买了一个3D打印机解决了快速修复米格-31战斗机的3D的难题。

注意！！！在此声明，本频道不保真该笑话！！！

所以作为人类40年智慧的结晶，这里我就要告诉你一个秘密，根据中国机械工程学会网站，3D打印可以按照成型方式不同一共分为七种不同类型增材制造技术。

首先是两种大家经常在各类娱乐视频中看到的3D打印技术：

1.光聚合成型技术的增材制造：主要材料是光敏树脂。它的制造方式很简单，就是用光在光敏树脂等材料的特定部位聚焦，然后让树脂固化成型。之后改变光固化的地方，继续固化下一层材料。最经典的光固化成型技术就是SLA立体光刻技术。

2.FDM，熔融沉积造型：这种3D打印甚至比SLA还要常见，就是利用融化了的树脂、塑料等材料，一层一层地把需要的东西堆叠起来，然后等待固化。相信各位应该没有少见各类up主们利用这种3D打印机打造自己的小玩意。

然后接下来的5种3D打印，我相信大多数人可能都没听过：

1.基于烧结和熔化粉末的粉末床熔融增材制造技术：这种技术也被统称为粉末床熔融(PBF)工艺，这也是我们文章开头制造出那种超级合金的制造工艺。核心就是利用熔化的粉末冷却形成3D打印的立体图形。这里面主要有3条技术路径。SLS：选择性激光烧结技术（Selective Laser Sintering），SLM：选择性激光熔化技术（Selective Laser Melting,）和EBM：电子束熔化技术（Electron Beam Melting）。

2.基于粉末-粘合剂为基本原理的增材制造技术：这个制造原理就和前面提到的粉末床熔融3D打印很像，但是在选择连接方式上，它选择了用粘合剂来粘连粉末。如果粘结的粉末是金属的话，最后整个材料会进行一轮烧结成型。

3.基于气溶胶打印技术的增材制造：这是一种一般应用于新材料薄膜及高性能电子、生物器件的3D打印材料。主要是利用宽度很窄，只有几微米宽的气溶胶射流携带金属纳米粒子油墨，在微尺度上实现精密器件的微制造。

4.基于片材融合的LOM层压板制造：这一种就很简单，就是使用纸片塑料薄膜等片材超声波焊接、钎焊、粘合剂或化学手堆叠并层压在一起，形成三维造型。

5.基于快速成型技术和生物制造技术的细胞3D打印：它们主要以细胞为原材料，参考生物体的组织形态，把细胞一点一点安装上去，形成一些简单的生命体组织，例如皮肤、肌肉以及血管等。

这五条技术路径各具特色，但是哪一种能颠覆现在和未来的工业生产呢？那肯定是能够打印金属，制造歼二零和长征5号这类国之重器，并创造前文提到的超级合金的粉末床熔融增材制造技术吧。

在我们很多现实制造中，有很多零件，用传统的制造方式可能会遇到无法脱模和刀具无法进入进行切割的情况，比如一体成型拥有复杂内部结构发动机的空心叶片。这时候，制造方最好的选择就是用金属3D打印技术。

金属3D打印技术的最初始形态是SLS，即Selective Laser Sintering，选择性激光烧结。这种技术很有意思。它的核心很简单，就是用一个大功率激光源把粉末选择性熔化，然后粘合成一个成品：

首先在平台上均匀地铺上一层薄薄的粉末材料，通常是热塑性塑料或与其他热熔性粉末混合后的金属粉末。

然后使用高功率激光扫描粉末床表面，根据 3D 模型选择性地用激光勾勒出各种花纹，把低熔点的材料如塑料熔化。这样熔化的粘合剂自然而然地与其他没有熔化的粉末粘合在一起，从而形成特定图案。

第三步，在零件的每一层熔化后，构建平台会根据计算降低一点高度，并在前一层的顶部铺上一层新的粉末材料。

之后打印机将重复这一过程逐层扫描直到构建对象完成。

最后一步，就是把成品在从粉末床中取出，然后对于物体进行打磨、抛光或染色，让他焕发生机。

你说，这是不是有种聚沙成塔的美感。

这种基于粉末的激光3D打印设备，虽然打印的速度一般只有十几到几十毫米每小时，但是整个过程却十分精确，一般的SLS打印精度就可以达到0.2毫米水平。

但是它有个问题，它的内部连接都是依靠熔化的粘合剂，强度并不能和锻造的金属相提并论。

那么怎么办呢？

俄罗斯有句谚语：铁棒横扫无招可挡，如遇抵挡铁棒加粗。

既然现在激光融合不了金属，那就加大功率，让激光进一步加大到可以熔化金属的程度就行啦。

这就是我们现在工业3D金属增材制造中最重要的技术SLM。

SLM全名Selective laser melting，即选择性激光熔化成型技术。他会直接将特定区域的金属熔化，这样就能随心所欲的制造出各种奇形怪状的零件比如我们某些先进发动机型号必备的空心涡扇叶片。

但是更重要的是它的一体成型能力对于很多高级工业带来的潜在颠覆能力。

这种能力有多颠覆性呢？

举个栗子吧：2017年10月GE进行了其第五代涡轴发动机，T901-GE-900型涡轴发动机的原型测试。这个发动机大量采用3D打印零部件，相比于传统设计，发动机整体减轻了大约 20% 的重量。

这意味着直接把发动机的推重比提高了25%，这几乎是原地把发动机性能提高一代。

这还不算完，它一系列3D打印的零件中有一个零件，如果用传统方法制造，需要50多个子部件通过焊接、螺栓链接组装而成。而采用3D打印之后，这个零件直接一体化成形，完全省去了传统制造方式复杂的供应流程。

这样意义同样重大，因为这样打印出来的3D零件不仅降低了成本也降低了企业备货的库存和交付周期。而且直接成形也一定程度上降低了锻造、焊接等制造工艺可能造成的性能损失提升了零件的良品率与最终结构件的机械性能。

这意味着人类星际航行的时候我们可以只需要带一堆粉末加上几个打印机，而不需要带着一堆生产线就可以进行移民了。到时候缺什么，或者什么东西坏了，直接打印原地解决。不需要等来自地球的支援，你说是吧。

PFB的最后一种形态就是电子束熔化技术，EBM。

这老哥就更猛了，它的核心是利用高能电子束聚焦后所产生的高密度能量使被扫描到的金属粉末层在局部微小区域产生高温，导致金属微粒熔融。这样等待金属凝固后，连接形成线状和面状金属层。

好家伙，这整个一微型粒子加速器啊。

只不过现在EBM并不是那么好用，首先他要抽真空才能用，而且使用和维护成本不低；其次打印过程会产生X射线，所以对于多数人来说，EBM是辐射勿近。

虽然美国已经使用EBM来制造包括Leap到GE9X在内的发动机叶片了。

但是多数情况下，现在工业应用最多的粉末床成型技术还是基于激光的3D打印技术SLS和SLM。

那么激光3D打印有没有什么弱点呢？

当然也是有的，首先就是一种合金在选择使用激光3D打印制造技术后的强度虽然可以超过这个合金铸造成型的强度，但是相比于经过锻造的同种合金还有一定距离。

看过锻刀大赛的朋友我相信一定不少。里面无论是堆叠大马，还是三枚合。机械冲压加手锤对于锻造刀的强度都是至关重要的。

这是因为，锻造是一种利用锻压对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法。其核心目的是用外力对于金属的微结构进行改变，以消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构。

而3D打印本身并不涉及这类微结构的修改，而仅仅是熔化金属后的结晶过程。这使得3D打印在很多关键部位上，比如运20的主承力件等地方，不能替代锻件的地位。

而且3D打印出来一般会是一体成型的结构，比如一个完整的发动机燃烧室，或者一片完整的空心叶片。如果这个时候你还想为了强度补上一轮锻造。那完了，整个成型件就直接被压变形或者直接扁了。

其次是3D的批量制造能力还是偏低。在传统工业中，不论是锻铸件还是减材机加工。每一种方法都可以用流水线的方式形成一个规模效应。作为增材制造，在投入固定成本后，3D打印的规模效应并不强，因为它每一个零件都是一点一点地打印出来的。

根据国内相关行业研报显示，进入增材制造2.0时代后，3D打印的成本优势从两位数增加到不到一万个。也就是说虽然成本下降，但是需求量如果超过一万，3D打印相比于开模熔铸金属件就不再具有明显成本优势。

第三个缺点就是大尺寸3D打印的难度依旧偏高。这个问题主要是受限于现在3D打印机的尺寸问题。见过3D打印的朋友应该对打印机的外形有一定印象，四四方方的都不算大。事实上制造一个超大尺寸的3D打印机，尤其是粉末打印，大尺寸的粉末床打印会带来一系列安全、产品品控、生产效率等一系列世界性难题。

最后一个缺点就是激光3D打印的精度还是略低。不仅打印成品最后需要进行加工。以我国铂力特的S500和S600型激光3D打印机为例，其重复定位精度也只±5μm。这个精度相对于传统精密加工10～0.1μm的精度来说还是会略微有所不足。

现在展现出来的这些缺陷，对于一个新兴产业来说是个好事。毕竟一项工业的上限是看它的物理法则，工程能力决定的只是它的下限。从某种角度来说，3D打印现在展现出来的问题都是工程性问题。而它展现出来的物理制造能力的上限令人着迷。

现在世界3D打印技术正在以超高速度在制造业领域铺开。

根据Grand View Research公司发布的报告，在北美地区3D金属打印市场的年复合增速在2023-2030年间可以到达22.5%，几乎相当于三年出头翻一倍的速度。

而放眼全球，2022 年全球金属 3D 打印市场价值 63.6 亿美元。而且北美的金属3D打印相对发展更加成熟，所以世界范围内金属 3D 打印市场增速会比北美更高，预计 2023至 2030 年的复合年增长率 (CAGR) 更是将达到 24.2%。

这种产业增长速度虽然不如我们之前提到的智能机器人产业年化38.6%的增长速率，但是已经足够令人心动。而我国未来金属3D打印增速将毫无疑问的更高于世界平均水平。

而且相比于美国，我国虽然在传统航空航天等方向加工制造能力上落后于美国，但是在3D打印先进应用方面，我们并不那么落后。

国内SLM 设备龙头主要为铂力特与华曙高科。其中铂力特在国内市占率最高，2016 至2019 年自研设备销量已超过百台，是我国领先金属 3D 打印技术全套方案供应商。华曙高科也不断开展 SLM 技术为代表的金属打印设备研制。

根据我国金属3D打印的龙头铂力特自行披露：

“截至 2019 年 7月，铂力特 3D 打印零件产品批量装机应用或支持多项国家重点型号工程的研制，包括7个飞机型号，4 个无人机型号，7 个航空发动机型号，2 个火箭型号,3 个卫星型号,5个导弹型号,2 个燃机型号,1 个空间站型号。

项目涉及 C919 等军民用大飞机、先进战机、无人机、高推比航空发动机、新型导弹、空间站和卫星等。”

事实上，我国金属3D打印的尝试比绝大多数国家走得更远，野心也更大。

早在2012年，由王华明院士主持的我国的“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”获得了国家技术发明奖一等奖。这也明确了我国在钛合金结构件制造工艺上会采用激光3D打印的技术路径。

而根据王华明同志在2015年当选的中国工程院院士的公示材料，我们可以看到：“其研制的金属构件激光熔化沉积增材制造技术自2005年以来已在歼-15、运-20、歼-11B、歼-31、C919等7种飞机、东风XX等3种导弹、遥感24等2种卫星、FWS13等3种航空发动机和1型燃气轮机等重点型号研制生产中工程应用并发挥关键作用。”

甚至在运-20研制中，激光增材制造技术在7天内完成6种机身/主起落架接头大型主承力构件的快速制造，确保了飞机如期首飞。

虽然最终运20还是更多地采用了锻件作为主承力结构，但是由此可见中国在相关领域勃勃野心。

多年过去，现在我国已知和未知的几乎所有先进航空航天型号的零部件中，都能找到利用金属3D打印生产的一体化部件。在包括发动机叶片制造方面，钢研高纳等国家重点科研企业正在追随GE等国际大厂的脚步，实现从传统切削的减材造完全向粉末盘锻造和3D激光乃至电子束熔融打印的增材制造转变。