3D金属打印
让不可能变成可能
随着技术的发展，越来越多的设计师在自己设计作品中选择使用“3D打印技术”制造，这些作品往往需要从硬件、材料等各自领域基于3D打印技术特性反向设计，为了实现特殊造型或特定表现效果，大部分需要借助参数化设计软件，甚至为某项特定效果开发单独的运行程序才能实现。
3D打印技术颠覆了以往生产制造大规模工业化的运行模式，按照计算机发送的图纸分层铺设材料来构建物体。近日总部位于洛杉矶、成立五年的一家初创企业采用了一种特别激进的生产方法，即设想把整栋建筑变成自动化的3D打印工厂，这类工厂会采用多个激光器，使用金属粉末材料来制造火箭发动机舱或汽车零件。这种技术可以使其制造金属零部件的速度比现有方法快25到50倍，而且成本仅为目前的零头。
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相对于激光切割等减材制造技术，以3D打印总是显得非常“小众”，特别是工业应用领域。从发展历程来看，3D打印技术于19世纪末起源于美国，在20世纪80年代后期发展成熟并被广泛应用，其中金属材料3D打印技术发展尤为迅速。金属3D打印技术作为整个3D打印体系中最为前沿和最有潜力的技术，是先进制造技术的重要发展方向，在航空航天、汽车、消费品、医疗、一般工业等领域逐步开始获得规模化应用。过去30年，我国金属3D打印技术特别是装备技术取得了突飞猛进的发展。
金属3D打印用激光器经历了几个发展阶段，主要有CO2激光器、YAG激光器以及光纤激光器。CO2激光器本身输出波长很长，金属材料的吸收率较低，因此早期金属打印用的CO2激光器功率动辄几千瓦。随着光纤激光器开始大规模商用，成本进一步降低，凭借其易于集成、电光转换率更高、性能更稳定等优势，已经成为金属3D打印最主流的热源。金属3D打印过程主要依靠激光热效应，逐层对金属粉末熔化成型，通过一层一层叠加累积最终完成零件加工。在加工过程中，零部件打印层数通常比较多，打印时间很长，对激光器功率稳定性要求非常高。另外，激光器光束质量和光斑大小对打印精度也至关重要。
实际应用
世界首款铝合金变速箱
近日，以采用3D打印制造超级跑车著称的 Czinger Vehicles， 推出了一种拓扑优化的全3D打印变速箱，这是一项首创创新。该公司与赛车运动和生产高性能汽车变速箱的全球领导者Xtrac 合作，率先推出了第一个拓扑优化和3D打印的变速箱箱体。
变速箱的生产使用3D打印工艺和铝合金，显著减少了重量、具有出色的结构性能、生产质量和高效的打印时间。此外，这种制造工艺避免了对工具的需求，大大减少了开发时间，并能够进行实时设计改进。变速箱是该公司将这种先进技术应用于动力总成系统的重要实践，并进一步增强了其超级跑车的行业领先性能。最重要的是，虽然这是一个原型，但它也是将投入生产的相同产品。
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当前，国际汽联批准了多种3D打印金属材料，可以看出，铝合金就有多种种类，涉及普通铝合金、中强铝和高强铝，这些材料分别适合于超级跑车的不同结构应用。
-铝合金：AlSi10Mg，AlSi7Mg，Al Cl-30AL
-颗粒增强铝合金：A20X，2024-RAM2、6061-RAM2
-铝镁合金：Scalmalloy
-钛合金：1级，2级，Ti6Al4V，Ti5553，Ti6242。
-钢合金：316，304，MS1，15-5PH，17-4PH，300M，4140。
-高温合金：Inconel 625，Inconel 718，钴铬合金。
-不含铍的铜合金。
3D打印火箭
不同材料不同用途
火箭是人类探索太空的重要工具，但是传统的火箭制造过程既复杂又昂贵，需要大量的零件、材料和人力。有没有一种更简单、更高效、更便宜的方法来制造火箭呢？那就是3D打印技术。3D打印技术是一种将数字模型转化为实体物体的技术，它可以在电脑上设计出任何形状的物体，然后通过特殊的机器逐层堆叠出来。这种技术可以用于制造各种各样的东西，从玩具、饰品到汽车、房屋，甚至是火箭。
3D打印火箭是指使用3D打印技术制造出来的火箭，它有很多优势。首先，它可以大幅减少零件数量和重量，提高结构强度和可靠性。据报道，传统火箭的零件数多达10万个，而3D打印火箭只需要1000个左右。其次，它可以大幅缩短生产周期和降低成本。据称，3D打印火箭只需要60天就可以从设计到发射 ，而且每枚发射成本只有1200万美元 ，比传统火箭便宜很多。最后，它可以实现高度定制化和灵活性。3D打印火箭可以根据不同的任务需求和客户要求进行调整和优化。
三种主要火箭类型：
一、使用金属合金制作火箭外壳
这种方法生产的火箭外壳通常由铝或钛合金制成，虽然这类金属在市场上很常见，但由于制造成本较高，所以只会用于一些小型运载火箭上。这种方法最大的问题在于：火箭外壳必须满足特定的强度和刚度要求，并经过大量的测试以确保可靠地进行发射。而且它的回收成本非常高，通常都超过了火箭本身。不过，这种方法也有其优点：可以直接制造出精确和复杂的零件，而不需要先进行3D打印；可以采用比其他制造方法更便宜、更快的工艺，这有助于降低火箭制造成本。
因此，这种方法是一种经济有效的方法，特别适用于那些只有几个部件需要重复使用的小型运载火箭。但即使是这种方法，也比传统制造方法具有较大的优势。
二、使用粉末冶金材料制作火箭的外壳
在太空中，我们使用的大部分航天器都是使用金属来制造的。但在其他情况下，它更多地依靠聚合物材料和陶瓷材料。固体火箭发动机也不例外。NASA、 SpaceX公司和洛克希德马丁公司都在这方面进行了大量研究工作，其中包括使用粉末冶金材料制造火箭的外壳。粉末冶金材料通常是用来制造金属外壳的，其优势是能大量生产且成本低廉。
对于发射火箭的轨道，我们需要确保航天器能够承受强烈的太空辐射。因此，航天器需要足够的防护。在设计方面，我们可能需要一种更轻、更耐高温和耐烧蚀的材料。为了满足这些要求，我们就可以采用粉末冶金材料来制作火箭外壳，因为它们具有很高的强度、耐热性和耐腐蚀等性能。
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三、使用纤维增强塑料制作火箭
纤维增强塑料是一种高性能的材料，尤其适合作为火箭的壳体。火箭的壳体主要由钢板、钢梁、钢结构等组成。但由于制造这些外壳需要使用大量的钢材，不仅成本很高，而且还会对环境造成一定的破坏。
而纤维增强塑料可以有效地解决这一问题：由于它不需要任何钢材，而且重量轻，可以重复使用。据了解， SpaceX公司已经为其“重型猎鹰”火箭使用了几种不同材料，包括碳纤维、聚酰亚胺和超高分子量聚乙烯等。最终决定选择碳纤维作为最终打印材料。实际上这并不是 SpaceX公司第一次使用碳纤维材料了。早在2016年， SpaceX公司就曾在“龙”飞船上使用了一种新型碳纤维增强塑料。当时为了完成发射任务， SpaceX公司就曾采用了碳纤维增强塑料来制作火箭外壳。
说完制造
最后聊聊金属粉末回收
2021年，IperionX与美国能源部和橡树岭国家实验室合作，验证了该公司的Ti6Al4V 粉末在增材制造中的使用。2022年9月，IperionX宣布将开设首家100%回收钛金属粉末工厂。2023年1月，美国空军研究实验室公布了一项关于3D打印用钛合金回收和低成本生产新粉末项目的合同，美国国防部技术加速器的国家安全创新网络部门将提供高达50万美元的研发资金，IperionX获得了合作机会。具体来说，该项目要求企业提交3D打印用Ti-6Al-4V粉末的回收方法提案，该方案需要具有低成本制造新粉末的特点。
2023年2月，美国海军授权采用IperionX的回收再制造钛合金粉末为舰船3D打印制造泵组件，这将使美国海军显著缩短关键部件交货时间、提高设备可用性并持续重建美国关键钛金属供应链。
金属3D打印
安全最重要
从实际制造来说，金属3D打印的每个阶段都会产生不同的污染源（或物质）进而会造成特定的危害。 金属3D打印用的金属粉末，粒径分布通常为几十微米，可被吸入肺或肺泡。对于低密度的钛、铝及其合金都是反应性金属，风险尤其大，必须受到粉尘浓度的特定限制；其他金属粉末，如钢或其他含镍合金，则被危险物质指令分类为致癌、致突变和生殖毒性材料。对粉末颗粒的长期接触和吸入会给操作人员身体健康带来一定隐患。
不仅如此，在组件的打印过程中危险同样存在，熔化过程产生的废气除一部分会被带入过滤系统，仍可能有一部分被排出到打印系统的外置空间，从而造成室内环境的污染。随同废气的排出，一部分惰性气体如氮气尤其是氩气，也是风险的来源。设备的维护过程，如过滤系统的清洁，其中的粉尘、灰烬比金属颗粒更加细小，若处理不当，很可能会因为成分的稳定性问题发生火灾甚至爆炸。
基于对SLM工艺过程的整体评估，德国Bayreuth大学开发并评估了粉末防护的特定方案，其重点在于安全防护反应性材料Ti6AlV4。为减少危害而采取的保护措施由STOP原则确定优先级顺序，实施策略要基于流程、地点以及员工保护等关键因素。
金属粉末的处理必须格外小心，并且在可能的情况下， 应在保护性气氛中进行 。目前，全封闭的工艺流程正在被设备制造商所重视，以SLM Solutions为代表的金属打印机品牌商从粉末的灌装、清理甚至中途加装等所有流程均实现了全封闭操作，这种空间分割或封装最大程度的减少了粉尘的暴露和危害。在这种情况下，3D打印手套箱就成为了一种优先的设备选择。
（大型金属3D打印手套箱）
3D打印安全保护
3D打印技术作为一项前沿性、先导性非常强的新兴技术，对传统制造业的工艺改造和新材料的广泛应用具有颠覆性的意义和作用。我们制造的3D打印手套箱（增材制造保护手套箱）针对航空航天特殊零部件的加工所需要的环境而设计的：3D打印设备一般采用送粉成型或铺粉成型两种，每种成型设备其需要的手套箱设计要求不同，为此需要啊根据不同需求来设计手套箱提供可靠的解决方案。
金属3D打印惰性气体保护系统 是一套高性能、高品质的自动吸收水、氧分子的超级净化防护手套箱，提供一个纯化工作环境需求的密闭循环工作系统，可以满足特定清洁要求应用的1ppm的O2和H2O惰性的氛围环境。实现了将选择性激光溶化装置本体放置在一密封箱体内，该密闭箱体与多级粉尘手机装置和风循环装置形成闭环，氩气在该闭环内循环，系统中的气氛水含量达到小于1PPM指标，氧含量达到小于1PPM指标，实现超高纯工作气氛的环境，加工的产品可直接应用，减少再处理环节，是一套满足科研开发而设计的经济型循环净化系统。
（大型金属3D打印手套箱）
技术优势
●解决3D打印手套箱大体积密封的可靠性。
●解决3D打印手套箱信号线及动力线高度集成进箱密封防干扰问题。
●解决3D打印手套箱工作时烟尘净化问题及过滤器更换周期及寿命问题。
●人性化专业化设计，箱体外形美观，箱体上大型门的密封性极好，开启方便简单。
●解3D打印手套箱送粉器送粉进气或铺粉设备镜头吹气与手套箱箱体压力控制。
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