預測：未來五年 金屬增材制造將取得五個關鍵進展
材料牛注：金屬3D打印技術在過去五年間呈爆炸性發展。卡內基梅隆大學未來制造中心的Beuth大膽預測了未來五年，金屬增材制造將取得五個關鍵性進展：工藝設計、監測與控制、微觀結構控制、粉末材料種類以及孔隙率的控制。金屬3 D打印已經到了一個關鍵的轉折點，研究與商業應用之間“死亡之谷”或將一躍而過。
2016年，金屬3D打印技術的發展已碩果頗豐。從納米級粉末到23.98美元的低成本制造設備，金屬增材制造（AM）的發展如火如荼。
沃勒斯協會的報告圖顯示，該行業在過去五年間呈爆炸性增長。金屬3D打印機的銷售量僅2013年一年就增加了75%。
金屬3 D打印機銷售量（Y軸）/年（X軸） （圖片由沃勒斯協會提供）
最近，英國的一家金屬粉末公司簽收了一份2000萬英鎊的投資，用于該公司的粉末材料在航空、汽車和醫療各行業的商業化推廣。
卡內基梅隆大學未來制造中心的Beuth介紹：“我以前從未見過此類領域的研究。縱然增材制造已經存在20年了，但四年前才應用于自動化生產3D零件。從那時起，經聯邦航空局認證的3D打印零部件，被我們嘗試性的用在一些航空公司的引擎上。”
那未來的五年該行業會是什么樣子呢??近日，Beuth預測了未來五年里，金屬增材制造將取得的五個關鍵性進展。
一：工藝設計
用戶可以同時設計增材制造工藝和幾何構型。
Beuth說：“如同電子束功率和行駛速度的研究一樣，當前金屬增材制造工藝限制在一個非常狹窄的范圍中，同時粉末材料的研究也十分有限。”
按照Beuth的說法，原因在于金屬增材制造技術還處在實驗性開發階段。倘若一旦發現電子束功率和行駛速度相結合的研究成果，那其他研究結果也就了然無味了。
除了粉末，金屬增材制造技術中還有5個主要的過程變量：電子束功率、電子速傳播速率、堆積厚度/材料給進率、局部幾何形狀、熔點。
Beuth 預測道：“在未來，你的手邊會有各種各樣的粉末材料，同時也更了解如何調整工藝使各種粉末各盡其用。也就是說，你會有一個廣泛的過程變量，從而得到一個可控的結果。”
二、監測與控制——用戶將能夠監測和控制加法制造過程。
Beuth認為：“當前工藝條件下，最早是一個或兩個熱電偶監測整個箱體溫度。有些流程甚至在一個控制回路中根本用不到這些信息”。
自監控EOS系統控制下制造的3D打印金屬部件（圖片來自Tom Lansford）
但這不僅僅是改良尺寸和溫度傳感器，還需要增添新的東西，比如激光粉末層影像儀。該儀器是Beuth和他的同事利用光學系統，用以捕捉粉末層融合前后的影像。
Beuth說：“未來五年內提高檢測水平迫在眉睫。如果截取制品的一部分，發現有些地方并未焊透，那就應該通過機器文件看看問題所在。下一步反饋給控制器，以調整工藝流程并解決問題。”
三、微觀結構控制——用戶可以通過控制過程變量，在不同的位置改變該部位部分材料的微觀結構和性質。
未來制造中心的一個主要目標就是發現問題，并用前饋法來控制增材制造工藝流程。Beuth和他的同事們相信，工程師能夠控制3D打印過程中的變量，使某個部分的微觀結構獲發生特定的變化。
納米級金屬材料3D打印（圖片來自Alain Reiser/蘇黎世理工學院）
Beuth說：“我們展示了在ARCAN過程中（電子束粉末層處理）如何做到這一點，對于鈦合金Ti-64而言，我們利用該系統操作了部分微觀結構。”他又說：“除了我們沒有人能夠做到這一點，但其他人在慢慢接近。可以預見五年后，通過控制變量來改變微觀結構的技術將隨處可見。
四、更多粉末材料種類
直接激光燒結（圖片來自Tom Lansford）
在未來五年里，將主要探索不同直徑的金屬粉末。然而，進一步展望未來五至十年，由于金屬在增材制造過程中冷卻率高的特點，Beuth預測了新合金的蓬勃發展。
Beuth說：“對于某些材料，如果你知道條件，你就可以使用這些合金獲得更好的材料屬性。但到目前為止，沒有任何工藝有著如此高的冷卻速率。我的同事在機械工程和材料科學部門饒有興致地探索新合金，但仍是在早期階段而已。”
五、孔隙率控制
用戶將能夠消除或設計內部孔隙，這將對疲勞強度產生重大影響。
目前，3D打印使用的打印機采用默認設置時，一些金屬的孔隙是不可避免的。如果該部分受到循環載荷的作用，那么孔隙就可能形成起動裂紋，這對于金屬而言是個非常嚴重的問題。
孔隙主要有以下幾個來源：金屬粉末之間存在的孔隙；未焊透（有些粉沒有熔解）；縮孔（金屬局部蒸發和熔融金屬補縮不及時，冷卻形成孔隙）
Beuth說：“第一種可以通過與粉末材料公司合作消除，其他兩個可以通過改變工藝過程處理。目前我們能夠很好的處理其他人不能處理的問題，但在五年后這將不再是難題。”
除了消除孔隙的方法，Beuth相信工程師們將很快能夠控制該工藝。
Beuth說：“正常來說，我們的首要目標是得到均勻的組織和性質，讓它更容易設計和理解。同時致力于細化該材料的顆粒尺寸，而且讓一部分產生集中應力而獲得高強度，類似于鋼的表面淬火。目前工程師們不僅僅設計了該部分，而且還設計了該工藝流程，可使該工藝更快進行或得到更好的表面光潔度。目前，此項技術甚至達到了逐點設計的水平。”
金屬3D打印和“死亡之谷”
增材制造在未來的行業中的作用仍然是一個頗具爭議的話題，但金屬3D打印可能已經到了一個關鍵的轉折點。
Beuth說：“我知道仍然有一些人懷疑它將影響行業，他們稱之為’死亡之谷。”從研究到商業應用的“死亡之谷”，三四年前也許是這樣，但現在我們讓它成為了過去。”
感謝材料人編輯部杜征崢提供素材
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