美国HRL 实验室指出，影响合金材料在增材制造工艺中使用的原因是，打印过程中材料的熔融和凝固产生了具有大柱晶粒和周期性裂纹的微观结构。而2017年，HRL 实验室通过在增材制造材料中引入纳米颗粒成核剂的方式来解决了这一问题。

如今，为了进入商业化过程，HRL实验室成功将这种合金注册下来，这将永远将HRL与这种特殊的合金成分联系在一起。

图片：3D打印的高强度铝零件

 如同DNA一样的身份注册

当使用铝合金材料Al7075和Al6061的时候，在激光高能环境中进行金属3D打印会导致金属部件遭受严重热裂纹，HRL的研究人员根据晶体学信息选择了锆基纳米颗粒成核剂，并将它们组合到了7075和6061系列铝合金粉末中。

在用成核剂进行功能化之后，这些先前与增材制造制造不相容的高强度铝合金可以通过粉末床选择性激光熔化SLM设备进行成功的加工。成型后的材料无裂纹，等轴（即，其长度，宽度和高度上的晶粒大致相等），实现了细晶粒微观结构，并与锻造材料具有相当的材料强度。

这一技术可用于研发更多种类的3D打印合金粉末材料，这些材料不仅可以应用在粉末床选择性激光熔化3D打印设备，还可以用于粉末床电子束熔化和基于定向能量沉积3D打印技术的设备中。

于是在成功开发出纳米颗粒成核剂之后，HRL就面临着如何在商业化这项技术的同时获得技术保护的问题。

而在商业化方面，美国铝业协会负责监督整个行业使用的合金注册和产品标准。该协会的新增材制造合金注册系统于2019年2月推出，以响应越来越多的增材制造合金，第一个注册的正是HRL实验室的高强度铝。

对于用于增材制造合金的铝粉，HRL的注册号为7A77.50，合金的注册号为7A77.60L。

从本质上讲，这将永远将HRL实验室与这种特殊的合金成分联系起来，这些合金总是可以追溯到HRL，就像DNA签名一样。

作为铝业在美国的主要代言人，美国铝业协会为制造商和决策者提供全球标准，统计数据和专业知识。该协会还提供商业咨询服务，可持续性研究和行业专业知识服务，铝业协会致力于推动铝作为全球可持续发展的首选材料。

当HRL实验室寻求美国铝业协会的帮助的时候，他们还没有针对于3D打印的铝合金注册系统，所以他们决定创建一个新的系统来注册3D打印材料，于是HRL实验室的3D打印高强度铝成为他们系统中的首款材料。

 3D科学谷Review

位于加利福尼亚州Malibu的HRL 实验室，是由波音公司和通用汽车公司所合作拥有的专业从事研究传感器和材料、 信息和系统科学、 应用电磁学和微电子的研究和发展实验室。

根据3D科学谷的市场观察，HRL 实验室的研究成果具有前沿性的科技突破，且具备很强的商业应用场景的特点。

早在2016年，HRL就公布了其开发出一种新技术，使用这种技术3D打印的超强陶瓷材料能够承受超过1400摄氏度高温，该技术处于全球性的前沿技术地位。

HRL 目前可3D打印两类陶瓷。一类是大、 非常轻量级的点阵晶格结构，可以用于飞机和航天器的耐热板及其他外部部件。一类是小但复杂零件用于喷气发动机和火箭的机电系统或组件。而目前，没有任何材料可以承受超音速飞行过程中产生的极端热量和压力，而 3D打印陶瓷可能就是解决这个问题的方法。

HRL实验室除了开发了3D打印高强度铝合金，并开发了3D打印耐高温陶瓷材料。他们还为国防高级研究计划局（DARPA）研发了世界上最轻的金属结构。这种结构的重量比塑料更轻，壁结构比人的头发丝还细一千倍，密度仅为0.9毫克/ CC，该结构是一种由相互连接的空心管金属晶阵，这使得它具有非常强的抗压缩能力和高水平的吸收力。

波音公司将使用这种超轻的3D打印材料用于飞机墙面和地板等非机械部件。这将使得飞机重量大大减轻，提高飞机的燃油效率。该材料的独特的结构使得它可以从压缩超过50%的比例中恢复过来，并且具有非常高的能量吸收能力。波音公司的视频清楚地展示了材料被“压碎”，然后返回到原来的形状。波音声称该结构可用于安全地吸收鸡蛋从25层楼上落下来的冲击力。

从HRL实验室的研究成果及商业化路径我们可以发现，当我们迷茫于3D打印的商业机会在哪里的时候，3D科学谷认为有一个思路或许有所帮助，那就是针对当前技术的痛点和市场需求发展趋势，以高度聚焦的研究实现突破，再结合商业化合作伙伴走向技术转化的道路。

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波音公司曾在2015年展示了他们独特的3D打印微点阵结构材料的巨大潜力，并且波音相信这是世界上最轻的金属。该材料的研发背景是2011年由波音子公司HRL实验室为国防高级研究计划局（DARPA）开始研发的。重量比塑料更轻，壁结构比人的头发丝还细一千倍，密度仅为0.9毫克/ CC，该结构是一种由相互连接的空心管金属晶阵，这使得它具有非常强的抗压缩能力和高水平的吸收力。

那么此类微晶格结构的制造思路和商业用途具体是怎样的呢？本期，3D科学谷为谷友逐一揭示其背后的理念与技术：3D打印与材料学，结构力学的结合。

 不再依赖于温度

通过3D打印技术创造的这一突破性的金属结构，其基本的架构是通过UV光固化聚合物形成的模板。然后使用化学电镀的方法为模板镀上一层超薄的镍，再除掉热聚合物模板材料，只留下空心的金属结构。该金属结构的99.99%都是空气，纳米固体结构只占0.01%，空心管壁厚度仅100纳米，比头发细1000倍。

在此之前，市场上通常使用的是粘弹性阻尼材料，这些材料通过在应力下滑动的聚合物链吸收能量，不过，粘弹性聚合物的功效强烈依赖于温度，因此，粘弹性聚合物仅在较小的温度范围内表现出高阻尼系数，而在极端温度下则性能较差。

通过利用中空管弯曲的能量吸收机构（如微晶格所提供的），HRL实验室的研究结果可以提供高阻尼的性能，特别是适用于声学，振动或冲击领域的阻尼用途。

根据3D科学谷的市场研究，HRL实验室实现的中空管壁厚与直径之比小于3.ε，中空管直径在10微米到10厘米之间。材料方面，中空管由金属、陶瓷和塑料材料形成。微晶格适于在大于300摄氏度的温度，低于负100摄氏度的温度或在超过200摄氏度的温度范围内提供阻尼用途。

阻尼的物理意义是力的衰减,或物体在运动中的能量耗散。通俗地讲，就是阻止物体继续运动。一般来说，材料的阻尼系数越大意味着其减震效果或阻尼效果越好。但是并不是阻尼越大越好，阻尼大到一定程度时两个物体之间变成了刚性连接。

当然，微晶格需要阈值应力以触发屈曲和伴随的能量吸收等特性是可以设计的。

通过制造这种具有类似于粘弹性阻尼材料的金属或陶瓷微晶格材料，同时保留金属或陶瓷的优点，例如温度不敏感（与粘弹性仅20-30摄氏度范围相比）。

 可期待的商业化前景

关于微点阵结构的商业化应用，3D科学谷曾介绍过Incase利用Carbon的20台3D打印平台来设计和生产更先进的移动设备保护设备，这是业内首个3D打印的新型弹性体复杂结构设计的移动设备防护解决方案。

这样的微晶格材料还可用作吸声器，其比传统的吸声器更薄更轻。另外，它可以用在汽车中作为减振器来减弱声音并提供冲击保护。可扩展的商业化前景包括可以用作约束层阻尼器，以抑制平面或旋翼机机身中板的振动。

这是一种具有较低的重量，较低的温度依赖性和多功能特性的材料，而3D打印让这种新型的材料成为现实。

参考资料：US10119589B2_microlattice damping material and method for repeatable energy absorption

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位于加利福尼亚州Malibu的HRL 实验室，是由波音公司和通用汽车公司所合作拥有的专业从事研究传感器和材料、 信息和系统科学、 应用电磁学和微电子的研究和发展实验室。早在2016年，HRL就公布了其开发出一种新技术，使用这种技术3D打印的超强陶瓷材料能够承受超过1400摄氏度高温，该技术处于全球性的前沿技术地位。

HRL实验室的研究在NASA空间技术研究资金的支持下获得了不断的进展，NASA的资金推动了HRL在耐温陶瓷制成的3D打印火箭发动机部件领域的发展。

3D科学谷之前介绍过HRL通过紫外线光固化快速成形陶瓷的preceramic monomers—”先驱体转化聚合物”，通过这些聚合物制造的陶瓷均匀收缩，几乎没有孔隙度。并且可以形成迷你网格和蜂窝状材料，不但形状复杂，并且还表现高的强度，这种密度泡沫陶瓷可以在推进零部件、 热防护系统、 多孔燃烧器、 微机电系统和电子设备获得应用。如使用在高超声速飞行器和喷气发动机中，这种陶瓷可以帮助设计者制造能抵御起飞过程中所排出的废气引起的加热和高温度的小零件。

高温陶瓷是熔融温度在氧化硅熔点(1728℃)以上的陶瓷材料的总称，其耐高温，高强度，高硬度，良好的电性能、热性能和化学稳定性使得高温陶瓷在宇航、原子能、电子技术、机械、化工、冶金等方面有着广泛的应用。

由于高温陶瓷的熔点极高，这使得通过3D打印制造陶瓷产品挑战性更高。然而，又因为陶瓷不能通过铸造或容易被机加工，这使得3D打印在陶瓷的加工方面具有飞跃性的几何灵活性。获得3D打印陶瓷-尤其是高温陶瓷突破的应用意味着其伴随着的应用空间亦被打开。

HRL 目前可 3D打印两类陶瓷。一类是大、 非常轻量级的点阵晶格结构，可以用于飞机和航天器的耐热板及其他外部部件。一类是小但复杂零件用于喷气发动机和火箭的机电系统或组件。

根据空军研究实验室最近发布的一份声明，航空航天系统局科学家正在寻找新的热电偶辐射防护罩，HRL生产的材料对满足这方面要求严格的空军应用的潜力变得明显。

图：空军研究实验室对陶瓷材料进行测试

空军研究实验室与HRL的合作是对双方有利的，HRL作为空军研究实验室的供应商为他们开发满足要求的材料，空军研究实验室能够向HRL提供测试结果并提供对双方都有价值的反馈。空军研究实验室进行的极端温度测试揭示了HRL新材料的局限性，从而HRL实验室可以更加有针对性的改进材料。

来自实验室测试的数据产生了有价值的信息，用于开发和生产下一代增材制造技术生产的陶瓷。如果空军和HRL实验室的合作能够带来回报，那么他们就有可能通过开发超音速飞行器。应用在10倍的音速飞驰的超音速飞行器上，由于空气的摩擦，任何交通工具表面都会变得非常炽热，如果想要制造高超声速飞行器就需要用高温陶瓷制造整个外壳。目前，没有任何材料可以承受超音速飞行过程中产生的极端热量和压力，而 3D打印陶瓷可能就是解决这个问题的方法。

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由于高温陶瓷的熔点极高，这使得通过3D打印制造陶瓷产品挑战性更高。然而，又因为陶瓷不能通过铸造或容易被机加工，这使得3D打印在陶瓷的加工方面具有飞跃性的几何灵活性。获得3D打印陶瓷-尤其是高温陶瓷突破的应用意味着其伴随着的应用空间亦被打开。”

位于加利福尼亚州Malibu的HRL 实验室，是由波音公司和通用汽车公司所合作拥有的专业从事研究传感器和材料、 信息和系统科学、 应用电磁学和微电子的研究和发展实验室。在2016年的第一天，HRL公布其开发出一种新技术，使用这种技术3D打印的超强陶瓷材料能够承受超过1700摄氏度高温。该技术在《科学》杂志发布，意味着全球性的前沿技术地位。

HRL发明了的这种可兼容与光固化/3D打印的树脂配方，这种树脂在3D打印后经过过火可以生成致密的陶瓷部件。这是一个惊人的突破，因为它使能够产生任意多边形陶瓷部件，强大且无温度弹性，陶瓷表面无任何加工，不需铸造或嵌塞。

HRL 通过紫外线光固化快速成形陶瓷的preceramic monomers—”先驱体转化聚合物”，通过这些聚合物制造的陶瓷均匀收缩，几乎没有孔隙度。并且可以形成迷你网格和蜂窝状材料，不但形状复杂，并且还表现高的强度，这种密度泡沫陶瓷可以在推进零部件、 热防护系统、 多孔燃烧器、 微机电系统和电子设备获得应用。如使用在高超声速飞行器和喷气发动机中，这种陶瓷可以帮助设计者制造能抵御起飞过程中所排出的废气引起的加热和高温度的小零件。

该技术的突破意义在于，之前3D 打印陶瓷的典型技术一方面不能产生特别复杂的零件，像版画一样往往易产生裂缝现象。，另一方面大多数陶瓷 3D 打印机也仅限于”氧化物陶瓷材料”低熔点陶瓷打印。HRL 使用的精密光固化快速成形过程，可以 3D 打印致密和耐用陶瓷部件。

应用在10倍的音速飞驰的超音速飞行器上，由于空气的摩擦，任何交通工具表面都会变得非常炽热，如果想要制造高超声速飞行器就需要用高温陶瓷制造整个外壳。

HRL 目前可 3D 打印两类陶瓷。一类是大、 非常轻量级的晶格结构，可以用于飞机和航天器的耐热板及其他外部部件。一类是小但复杂零件用于喷气发动机和火箭的机电系统或组件。

HRL已经得到了美国国防部先进研究项目局（DARPA）的资助。一旦进一步的测试完成，那些正在寻找耐高温部件的火箭和卫星设计师可能会很快采用HRL的陶瓷3D打印技术。