非晶態金屬（金屬玻璃）又稱非晶態合金， 它既有金屬和玻璃的優點， 又克服了它們各自的弊病，如玻璃易碎， 沒有延展性。非晶態金屬的強度是鋼的兩倍，但比鋼輕得多，而且彈性更佳。
非晶態金屬具有各向同性，這意味著如果採用增材製造技術製造非晶態合金，不管3D列印採用何種構建方向，其材料特性始終相同。3D列印不僅能用於製造極其堅固的部件，還能為工程師提供更大的設計自由度。
非晶態金屬的製造是充滿挑戰的過程，特別是通常需要高於其熔化溫度，並迅速冷卻，使其避免結晶，從而形成的非晶態金屬玻璃。製造過程需要非凡的冷卻速度，並限制了它們可以形成的厚度，因為較厚的部分很難被迅速冷卻。非晶態金屬的3D列印商業化尚處於早期階段。
賀利氏科技集團旗下的賀利氏非晶態金屬與德國通快集團建立了合作，共同開展非晶態金屬3D列印研究，以期通過提升工藝和性價比，推動非晶態金屬部件3D列印成為車間內的標準生產工藝。
未來，非晶態金屬3D列印或將令眾多領域受益匪淺，例如航空航天和機械工程行業所使用的高應力部件和輕質部件。由於具有生物相容性，此類材料還是醫療設備的理想之選。
▲膨脹套管是能夠利用非晶態金屬3D列印改進性能的部件之一。由於非晶態金屬具有高彈性，採用該材料生產的套管比傳統套管更易變形。
圖片來源：賀利氏非晶態金屬
3D列印非晶態金屬
商業化已在路上
根據德國通快，非晶態金屬是液態金屬急速冷卻而形成的金屬材料，3D列印設備可採用該材料製造複雜的大尺寸部件——這是其他生產工藝無法實現的。因此，3D列印技術將為非晶態金屬開闢全新的工業應用領域。
此外，藉助3D列印，非晶態金屬還能發揮其在輕量化設計方面的巨大潛力。在滿足功能要求的前提下，材料用量和部件重量都被控制在最低限度。非晶態金屬本身很輕，因此將3D列印和非晶態金屬相結合，能夠滿足各種應用的輕量化需求。3D列印技術可使非晶態金屬部件的生產更加便捷，應用領域更加廣泛。藉助這項技術，用戶可以直接製造完整的部件，而無需先生產一個個零件，再將其裝配為成品。
▲通快集團TruPrint 2000 3D列印設備
圖片來源：通快集團
非晶態金屬部件3D列印技術在工業領域的應用還處於起步階段。這次合作將有助於加快非晶態金屬的3D列印流程、提高部件表面質量，最終幫助客戶降低成本。賀利氏非晶態金屬與通快將提升該技術在更多應用中的適用性，同時開闢一些全新的應用。非晶態金屬在許多行業都有應用潛力，例如增材製造技術（即3D列印）最重要的行業之一—醫療器械。通快集團表示，這次合作將是通快工業3D列印解決方案進一步開拓這一關鍵市場的大好機會。
在這次合作中，賀利氏非晶態金屬對其非晶態合金進行了優化，以用於3D列印，並為通快集團的TruPrint設備定製了合適的材料。
通快集團表示，最新發布的TruPrint 2000是列印非晶態金屬的理想選擇。該設備配置了粉末準備站，可在惰性保護氣體中實現拆包列印部件和粉末處理，未使用的粉末將被回收。該設計對於非晶態金屬來說至關重要，因為此類材料可與氧氣迅速發生反應。同時，TruPrint 2000 配置了2臺通快300W光纖雷射器，可同時部署在印表機的整個成型倉，這大大減少了單個部件的加工時長。採用僅55微米的光斑直徑，用戶便可以小批量或大批量生產表面質量極高的非晶態金屬部件。熔池監控功能可自動監測並分析加工過程中的熔池質量，從而儘早發現工藝偏差。
3D科學谷
Review
由於非晶態金屬原子排列長程無序、短程有序的特點，在物理、化學以及力學性能上都呈現出一系列傳統晶體合金所不具備的優異特性。然而，處於亞穩態的非晶合金需要在較快的冷卻速率下才能獲得，而目前通常採用的銅模鑄造法只能製備出臨界尺寸較小的非晶合金。另外，由於塊體非晶合金存在嚴重的室溫脆性問題，其在室溫下難以進行機械加工。複雜形狀構件的模具無法或很難加工製造，導致難以獲得精密複雜的非晶合金構件，這成為制約非晶合金應用的另一個瓶頸。
根據3D科學谷的市場觀察，兩種金屬3D列印技術正在推動著非晶態金屬克服傳統加工工藝的困難，推動非晶態金屬實現全新的設計可能性，拓展其在工業中的應用。
選區雷射熔化：更大、更複雜的部件
賀利氏在2019年4月發布了通過選區雷射熔化（SLM）3D列印技術製造的非晶態金屬齒輪。根據賀利氏，這是迄今為止全球最大的非晶態金屬部件，他們正在突破非晶態金屬的製造界限，為製造業開闢非晶態金屬的全新設計可能性。
一3D列印非晶態金屬齒輪採用緊湊型設計，重量為2千克。由於這種材料所需的高冷卻速率超過1000開爾文/秒，以前只能由非晶態金屬生產小型部件。賀利氏開發的3D列印非晶態金屬齒輪採用拓撲優化結構，與傳統製造工藝相比，齒輪重量能夠減輕50％。賀利氏通過SLM 3D列印技術，在非晶態金屬齒輪的尺寸和設計複雜性方面重新定義了傳統技術的限制，改變了這類材料的設計可能性。
雷射熔覆：高冷卻效率、無尺寸限制...
如何突破非晶合金臨界的尺寸限制和複雜構件的製備加工是擴展其在相關領域應用的關鍵。近年來，雷射熔覆（DED定向能量沉積）技術為解決這些難點提供了契機。
雷射熔覆是一種逐點離散熔覆沉積的成型方法，其每點的所受雷射加熱面積較小，熔池的熱量可以迅速向基體擴散，使得雷射熔池的冷卻速率遠大於非晶合金的臨界冷卻速率，使得熔池在冷凝的過程中可以避免發生晶化，進而獲得非晶態，這為無尺寸限制地製備非晶合金提供可能。另外，雷射3D列印是以金屬粉末為原材料，通過高能雷射束對金屬粉末逐層熔化堆積，直接由數字模型一步完成全緻密、高性能、複雜金屬零件的「近終成形」製造，這為製備複雜的非晶合金構提供理想的手段。
大連交通大學為非晶合金作為梯度材料在功能領域的應用提供了可能，擴大了非晶合金的使用範圍。研究發現，該非晶合金的梯度結構是由於在同軸送粉雷射3D列印過程中不同列印層所經歷的不同熱歷史所引起的不同程度的晶化導致。此項研究成果不僅提供了一種製備大尺寸具有複雜形狀的非晶合金的新方法，也促進了高性能非晶合金在工程和功能領域的大規模應用。
與大連交通大學所應用的熔覆沉積方法類似，加州理工大學也採取了類似的技術製造非晶態金屬，加州理工大學製造非晶態金屬的方法為：將第一層金屬合金表面高溫熔融；迅速冷卻這層熔融金屬合金，凝固形成非晶態金屬的第一層；然後在此基礎上進行下一層的加工。在這個過程中使用的是「噴塗技術」應用至每一層，包括等離子噴塗、電弧噴塗等方法。「噴塗技術」可以使用的原材料包括：金屬絲和金屬粉末。根據3D科學谷的市場研究，該「噴塗技術」為DED直接能量沉積3D列印技術。
如今，非晶態金屬增材製造的商業化已在路上。賀利氏集團旗下的賀利氏非晶態金屬，正在致力於非晶態金屬的開發與加工，以及近淨成形加工解決方案的開發。目前，擁有通快集團3D列印設備的客戶如今可以用其3D印表機加工賀利氏非晶態金屬提供的鋯合金，也可以直接向賀利氏非晶態金屬訂購3D列印的非晶態金屬部件。未來，賀利氏非晶態金屬和通快集團還希望將銅合金和鈦合金用於3D列印。
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《3D列印數位化生產》
——解決注塑時間和成本痛點，賦能生產靈活性
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