4 为增材制造量身定制的材料

随着增材制造的持续发展，公司和研究人员提出了各种子技术、附加组件和优化打印的方法。然而，实现优化目标的另一种方法是优化正在使用的材料。这催生了各种用于 3D 打印的材料，所有这些材料都表现出通过精确控制实现的理想性能。

其中一些材料是专门为 3D 打印或与 3D 打印一起设计的，因此为该技术提供了新的、新颖的特性和特征。以下是一些最有前途的材料：

Scalmalloy

图片来源：Beamler

作为第一种专门为 3D 打印开发的原始材料，这种钪 (SC)、铝 (AL) 和镁 (M) 的混合物全部融合成单一合金。该材料最初由空中客车集团的子公司 APWorks 开发并获得专利。作为一种金属印刷材料，它呈现出一些独特的特性，如增强的强度（主要是由于钪的存在）。

在强度方面，它可以超越传统的铝及其许多衍生合金。它甚至比钛更坚固，而且重量轻且耐腐蚀。当然，这种材料的制造成本可能很高，因为它含有钪，这是一种稀有金属，从矿石中提取也很昂贵。价格或钪可以在每公斤 4000 美元到 20,000 美元之间波动，主要采矿地点在中国和俄罗斯。

Scalmalloy 最适用于耐用、耐用的零件。这就是为什么它在汽车行业和机器人技术中变得流行的原因，通常是热交换器的一部分。有人可能会怀疑，Scalmalloy 在其起源行业：航空航天中也发挥着举足轻重的作用。

NewGen SLM 材料

图片来源：TU Graz      

这种金属由奥地利的 TU Graz 提供，将氮化硅混合物应用于开发金属增材制造专用不锈钢。被称为 NewGen SLM 材料，它们在形成过程中表现出更多受控的反应，从而提高了表面光洁度并最大限度地减少了对支撑的需求。 316L 不锈钢是在全球多个行业中使用的最常见材料之一，NewGen 版本具有改进的特性，专门用于选择性激光熔化打印。

研究人员用多种混合物测试了各种版本的改良不锈钢混合物。在测试其他材料的机械性能和孔隙率时，他们得出的结论是，通过严格控制其中的氮化硅和硼，可以减少烧结变形。他们将这些发现发表在学术文章“Improving the Dimensional Stability and Mechanical Properties of AISI 316L + B Sinters by Si3N4 Addition”中。

由于硼化物增加了烧结矿的密度，它们在铁基材料中不能很好地融合。结果，会在颗粒周围形成不需要的层。氮化硅减轻了这一因素并导致更好的表面光洁度。研究人员对金属粉末进行了改性，不仅获得了更好的机械性能和最终使用性能，而且还使 NewGen SLM 材料需要更少的支撑结构。这样一来，改性不锈钢就可以比传统的金属印刷品更轻。

目前，研究人员仍在将这种特殊材料商业化。他们还在加强这一研究领域，以测试可能以类似方式受益的其他此类材料。他们的工作已经收到通知，他们正在与一个衍生的奖学金计划合作，以建立一个合适的初创公司。

3D 打印高强度铝合金

https://www.youtube.com/watch?v=8YwlenA4bdg

由 HRL 实验室发明，这种特殊的铝菌株最近被铝业协会商业化并注册。增材制造的高强度铝也标志着美国铝业协会首次注册此类合金，铝粉的注册号为 7A77.50，印刷合金本身的注册号为 7A77.60L。

这种材料的特别之处还在于，它标志着该协会于 2019 年 2 月的新添加剂合金注册系统。这是由于增材制造能力而出现的各种新材料的直接结果。这是同类合金中第一种可打印的合金。

在化学上，该合金是使用 HRL 的纳米颗粒功能化技术开发的。这种特殊材料使用锆基纳米颗粒，然而，这种材料生产模式的真正优势在于它可以应用于通常被认为不可印刷的各种其他金属和合金。因此，HRL 也在研究将新材料引入 3D 打印世界的各种其他方式。

晶体学、超材料和世界上最坚硬的塑料结构

图片来源 苏黎世联邦理工学院/麻省理工学院

新材料的安排并不总是关于发现新材料或改变材料的化学成分以使其可打印，如前面的示例所示。有时，使用现有材料的新方法可以提供非凡的东西。各种材料结构就是这种情况，其中包含的材料结构能够产生令人兴奋的结果。

麻省理工学院和苏黎世联邦理工学院之间的一个联合项目就是一个例子。研究人员通过在纳米尺度上重新排列塑料的结构，创造了一种具有最高刚度重量比的材料。这导致材料非常坚硬，同时还平衡了这种刚度和相对较低的重量。从本质上讲，他们已经开发出最坚硬的材料，通过简单地调整其微观结构的排列方式，相当接近物理学所允许的理论极限。

这种刚度重量比对于高强度医疗植入物、飞机和赛车至关重要。如前所述，主要思想不在于使用的材料，而在于微观尺度的构造。通过使用复杂的桁架、腰带和拱门图案，研究人员最大限度地提高了力量和耐力。

同样，谢菲尔德大学和帝国理工学院的研究人员正在研究在印刷品中使用新型微观结构来提高耐用性，希望创造出打印合金的新方法。他们在使用晶体超材料方面的工作利用计算机原子建模来创建这些前所未见的结构。正如他们所描述的那样，这些晶体结构导致打印出来的图案没有晶界，连续且不间断。这使最终印刷品具有更好的损伤容限、强度和韧性。

这种材料具有周期性排列的节点和支柱，使其重量轻，同时表现出传统固体中不具备的综合特性。通过利用结晶材料中的硬化机制来开发坚固且耐损坏的材料，他们创造了减材制造无法管理的可印刷材料。

类似的想法渗透到 4D 打印领域，其中微结构是如此微妙地平衡，它们将普通材料变成机器人或具有各种排列的功能性物品。 3D 打印通常提供这些能力来修补最微小的细节，直到它们达到设计目的，并鼓励在制造和研究领域创造新形式。