3D打�。ㄔ霾闹圃欤┘夹g(shù)目前已經(jīng)成為全球最關(guān)注的新興技術(shù)之一，其專用材料尤其是高性能金屬構(gòu)件激光直接制造用特種粉體材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景很好。本文對3D打印用特種粉體材料產(chǎn)業(yè)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢進(jìn)行了闡述。
一、國際3D 打印產(chǎn)業(yè)及其專用材料研發(fā)現(xiàn)狀
1.全球3D 打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
世界各國正在不斷加強(qiáng)3D打印技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用。歐盟和美國引領(lǐng)著世界3D打印技術(shù)的發(fā)展，并在該技術(shù)的應(yīng)用和推廣領(lǐng)域獲得先機(jī)。美國將“3D打印”研發(fā)中心作為新建的15個(gè)國家制造創(chuàng)新中心之首，政府直接投資3000萬美元進(jìn)行支持；近日，美國國家航空航天局和洛克達(dá)因公司共同完成了3D打印火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴射器的測試，工時(shí)和成本驟降，全尺寸3D打印零件將是未來美國開發(fā)的重點(diǎn)方向；歐洲也十分重視對3D打印技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志是最早將3D打印稱為“第三次工業(yè)革命的引擎”的媒體；2013年10月份，歐洲航天局公布了“將3D打印帶入金屬時(shí)代”的計(jì)劃，旨在為宇宙飛船、飛機(jī)和聚變項(xiàng)目制造零部件，最終的目標(biāo)是采用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)由一整塊金屬構(gòu)成、不需要焊接或熔合的整顆衛(wèi)星的整體制造；澳大利亞在2013年制定了金屬3D打印技術(shù)路線，并于2013年6月揭牌成立“中澳輕金屬聯(lián)合研究中心（3D打�。�；德國將“選擇性激光熔結(jié)技術(shù)”列入“德國光子學(xué)研究”；日本著力推動(dòng)3D打印產(chǎn)業(yè)鏈后端，不斷嘗試將本國已取得的技術(shù)成果在工業(yè)中進(jìn)行推廣和應(yīng)用；南非政府將目光投向大型3D打印機(jī)設(shè)備的研制和開發(fā)，將核心激光設(shè)備研制與扶持激光技術(shù)協(xié)同發(fā)展；我國地方政府也非常重視3D打印產(chǎn)業(yè)，珠海、青島、四川雙流、南京等地先后建立了多個(gè)3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心和科技園。
3D打印飛機(jī)鈦合金零部件
全球3D打印產(chǎn)業(yè)的權(quán)威研究機(jī)構(gòu)——美國沃勒斯公司發(fā)布的全球3D打印產(chǎn)業(yè)報(bào)告顯示，2012年全球3D打印市場總收入為22億美元，其中包括設(shè)備和服務(wù)。美國的產(chǎn)業(yè)收入一馬當(dāng)先，大約占全球總收入的60%，傳統(tǒng)的制造業(yè)強(qiáng)國——德國和日本比較重視制造技術(shù)的革新，3D打印產(chǎn)業(yè)收入各約占全球的10%，中國作為未來巨大的應(yīng)用市場，產(chǎn)業(yè)收入已約占全球總收入的10%，有望成為世界3D打印產(chǎn)業(yè)的一極。據(jù)美國消費(fèi)者電子協(xié)會(huì)最新發(fā)布的年度報(bào)告顯示，3D打印服務(wù)的社會(huì)需求量將逐年增長，其產(chǎn)值到2017年有望增長至50億美元。
2.3D 打印用材料發(fā)展現(xiàn)狀
有專家指出，3D打印的核心是它對傳統(tǒng)制造模式的顛覆，因此，從某種意義上說，3D打印最關(guān)鍵的不是機(jī)械制造，而是材料研發(fā)。
3D打印對原材料的要求比較苛刻，滿足激光工藝的適用性要求所選的材料需要以粉末或絲棒狀形態(tài)提供。材料融化后在軟件程序驅(qū)動(dòng)下，自動(dòng)按設(shè)計(jì)工藝完成各切片的凝固，使材料重新結(jié)合起來，完成成型。由于整個(gè)過程涉及材料的快速融化和凝固等物態(tài)變化，對適用的材料性能要求極高，從而材料成本居高不下。比如，即使打印一個(gè)手機(jī)大小的產(chǎn)品，整個(gè)耗材價(jià)格至少要150元以上�；诖�，未來3D打印產(chǎn)業(yè)需要不懈追求的目標(biāo)仍將是：“研發(fā)出更多種類的材料”、“使材料獲得與工藝更匹配的性能”、“實(shí)現(xiàn)更高的制備工藝精度和更廉的原材料價(jià)格”以及“將3D打印的直接制造技術(shù)應(yīng)用到更多更廣的領(lǐng)域”。
3D打印技術(shù)包括“快速原型制造技術(shù)”和“金屬構(gòu)件直接制造技術(shù)”2大類。目前公眾所了解的3D打印成果和案例大多屬于“快速原型制造技術(shù)”范疇。其實(shí)快速原型制造的范疇比較廣，除了3D打印還有“熔融沉積造型”、“選擇性激光燒結(jié)”、“立體印刷”、“疊層實(shí)體造型”等多種方式。因此，3D打印并不能完全涵蓋“快速原型制造”，而只是實(shí)現(xiàn)快速原型制造的路徑之一。另外一個(gè)分支是高性能的金屬零件直接制造，這一領(lǐng)域可謂意義重大，但難度也更大，對材料和設(shè)備的要求極其苛刻，是3D打印技術(shù)的制高點(diǎn)。
（1）快速原型制造用材料
快速原型制造即通常所說的快速成型，近年來應(yīng)用不斷拓展，發(fā)展極為迅速，已成為工業(yè)模型設(shè)計(jì)與制作中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。最早主要是做樹脂、石蠟、紙等原型件，用途集中在新產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)方面，通過該技術(shù)可以簡便、快速地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化和產(chǎn)品的評(píng)估，由于其“所見即所造”的特點(diǎn)，能夠省去大量生產(chǎn)準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，從而顯著縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期，最終使新產(chǎn)品的研發(fā)成本顯著降低。我國3D打印目前2億元/ a的產(chǎn)值基本來源于此。近年快速成型加入選擇性激光燒結(jié)工藝，使3D打印在保持高效率的同時(shí)，制造精度也得到顯著提升。
目前3D打印快速成型用特種粉體材料大多是設(shè)備工藝廠商針對各自設(shè)備特點(diǎn)定制的，優(yōu)點(diǎn)是與專屬設(shè)備的適用性好、研制難度相對小，缺點(diǎn)是材料的產(chǎn)業(yè)通用性差、產(chǎn)品成型過程的精度有待提高、產(chǎn)品成型后的強(qiáng)度較低。可見，制品表面精度受粉末原材特性的制約明顯，工藝對材料依賴性不容忽視。
（2）高性能金屬構(gòu)件直接制造技術(shù)用材料
高性能金屬構(gòu)件直接制造技術(shù)起步于20世紀(jì)90年代初，工藝難度比較大，主要采用高功率的能量束如激光或電子束作為熱源，使粉末材料進(jìn)行選區(qū)熔化，冷卻結(jié)晶后形成嚴(yán)格按設(shè)計(jì)制造的堆積層，堆積層連續(xù)成型，形成最終產(chǎn)品。到目前為止，工業(yè)上的小型金屬構(gòu)件直接制造相對容易，體積較大的金屬構(gòu)件的直接制造難度非常大，對材料和工藝控制的要求很高。這將是增材制造產(chǎn)業(yè)推動(dòng)相關(guān)工業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)方向，也將是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。其最大的難度在于材料和成型工藝。以鈦合金為例，激光熔化后的材料凝固會(huì)造成鈦合金體積收縮，造成巨大的材料熱應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力對小型構(gòu)件影響不大，但隨著零件尺寸的增加，成型變得非常困難，即使能夠成型也會(huì)由于大的內(nèi)應(yīng)力嚴(yán)重影響材料強(qiáng)度。第二個(gè)難題是材料冷卻結(jié)晶過程復(fù)雜，材料結(jié)晶過程很難定量控制，一旦出現(xiàn)晶體粗大、枝晶等必將造成材料成型后的力學(xué)性能不佳等問題，最終結(jié)果就是關(guān)鍵構(gòu)件沒辦法獲得實(shí)際應(yīng)用。
高性能金屬構(gòu)件直接制造技術(shù)自問世伊始，就與配套材料的發(fā)展密不可分。近年來，金屬構(gòu)件直接制造所使用的高性能特種粉體材料備受關(guān)注。歐美等國已經(jīng)比較成熟地實(shí)現(xiàn)了小尺寸不銹鋼、高溫合金等零件的激光直接成形，未來高溫合金、鈦合金材質(zhì)大型金屬構(gòu)件的激光快速成形作將成為主要技術(shù)的攻關(guān)方向。我國北京航空航天大學(xué)團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域走在了世界前列，他們通過激光直接制造成套裝備的研制和對大型鈦合金金屬結(jié)構(gòu)件成形原理的探究，已掌握高性能金屬構(gòu)件直接制造核心技術(shù)，其成果已應(yīng)用于多種型號(hào)飛機(jī)的研制中。但國內(nèi)用于金屬構(gòu)件直接制造的材料主要依賴進(jìn)口，國產(chǎn)化的同類材料。目前還存在著氧含量高、球形度差、成分均勻性差以及粒度分布不佳等問題，這在一定程度上限制著我國高端3D打印產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。
合金粉末內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)對3D打印最終產(chǎn)品的影響較大，組織粗大的粉末熔覆性能較差。高性能金屬構(gòu)件直接制造用特種粉末要求低氧含量和高球形度，行業(yè)內(nèi)主要由氣霧化和真空氣霧化工藝制備。合金粉末的制備方法主要有水霧化、氣霧化和真空霧化等，其中真空霧化制備的粉末具有氧含量低、球形度高、成分均勻等特點(diǎn)，應(yīng)用效果最佳。
高性能金屬構(gòu)件直接制造所用材料主要是鈦及鈦合金粉末材料和鎳基或鈷基的高溫合金類粉末材料。鈦及鈦合金粉末材料采用粉末冶金法制造零部件是少切削或無切削的近凈成型工藝，金屬的利用率接近100%，是降低鈦及鈦合金零件使用成本的最佳方式。目前鈦及鈦合金粉末制備方法主要有等離子旋轉(zhuǎn)電極、單棍快淬、霧化法等，其中旋轉(zhuǎn)電極法因其動(dòng)平衡問題，主要制備20目左右的粗粉；單棍快淬法制備的粉末多為不規(guī)則形狀、雜質(zhì)含量高，而氣體霧化法制備的粉末具有氧及其他雜質(zhì)含量低、球形度好、粒度可控、冷卻速度快、細(xì)粉收得率高等優(yōu)點(diǎn)，是高品質(zhì)鈦及鈦合金粉末的主要制備工藝。
國外鈦及鈦合金粉末的研究由來已久，技術(shù)相對成熟，美國在1985年發(fā)表了水冷銅坩堝惰氣霧化法的專利，在1988年建立起年產(chǎn)11t的粉末研制線；而日本在1990年已建立年產(chǎn)60t的惰氣霧化粉末生產(chǎn)線，并實(shí)現(xiàn)規(guī)�；a(chǎn)；而國內(nèi)在霧化設(shè)備及粉末制備工藝方面，主要為移植和仿研，高性能制粉設(shè)備仍以進(jìn)口為主，在水冷銅坩堝制備技術(shù)、底注式霧化方式等方面仍和國外差距較大；在粉末制備方面，目前粉末的粒度主要集中于：40 ～300目之間，雜質(zhì)元素如鈣、氫、氧等也高于國外同類產(chǎn)品水平，如國內(nèi)制備的真空鈦合金釬焊料由于雜質(zhì)含量高，在使用過程中存在潤濕性差、焊縫質(zhì)量不均勻、焊接強(qiáng)度低等問題。
鎳基或鈷基的高溫合金粉末的制備方法主要有霧化法、旋轉(zhuǎn)電極法、還原法等。霧化法主要有二流霧化、離心霧化等方法。氣霧化（含真空霧化）屬于二流霧化，具有環(huán)境污染小、粉末球形度高、氧含量低以及冷卻速率大等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)歷近200年的發(fā)展,氣霧化已經(jīng)成為生產(chǎn)高性能金屬及合金粉末的主要方法。不過，霧化合金粉末易也出現(xiàn)一些缺陷，例如夾雜物、熱誘導(dǎo)孔洞、原始粉末顆粒邊界物。對于3D打印技術(shù)來說，粉體材料中夾雜物和熱誘導(dǎo)孔洞都會(huì)對成型部件產(chǎn)生影響。
二、我國3D 打印及其專用材料產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
1. 國內(nèi)3D 打印產(chǎn)業(yè)現(xiàn)況
3D打印技術(shù)在我國還處于發(fā)展初期，產(chǎn)業(yè)體量相對較小。同時(shí)，中國制造業(yè)各個(gè)環(huán)節(jié)對3D打印技術(shù)的認(rèn)識(shí)還存在很多不足。從實(shí)際發(fā)展情況來看，截至目前3D打印并沒有實(shí)現(xiàn)成熟的產(chǎn)業(yè)化，從設(shè)備到產(chǎn)品再到服務(wù)仍停留在“高級(jí)玩具”階段。但是，國內(nèi)從政府到企業(yè)，普遍認(rèn)可3D打印技術(shù)的發(fā)展前景，政府和社會(huì)普遍關(guān)注未來3D打印技術(shù)將對我國現(xiàn)有的生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)、制造模式等造成的影響。
根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)，目前，我國對3D打印技術(shù)的需求并非集中在設(shè)備上，而是體現(xiàn)在對3D打印用耗材種類多樣性和對代理加工服務(wù)的需求上。工業(yè)客戶是我國采購3D打印設(shè)備的主力軍，他們所購買的設(shè)備主要用于航空、航天、電子產(chǎn)品、交通工具、設(shè)計(jì)、醫(yī)療、文化創(chuàng)意等行業(yè)。目前，3D打印機(jī)在中國企業(yè)的裝機(jī)量約500臺(tái)，年增速為60%左右。即使這樣，目前的市場規(guī)模也僅為1億元/年左右。而3D打印用材料的研發(fā)和生產(chǎn)潛在需求規(guī)模已近10億元/年，隨著設(shè)備工藝的普及和進(jìn)步，規(guī)模還將迅速增長；同時(shí)3D打印相關(guān)委托加工服務(wù)非常火爆，多家代理3D打印設(shè)備的公司對激光燒結(jié)工藝和設(shè)備應(yīng)用已非常成熟，可對外進(jìn)行加工服務(wù)，由于單臺(tái)設(shè)備價(jià)格一般在500萬元以上，市場接受度不高，但代理加工服務(wù)卻非�；鸨�。
2. 國內(nèi)3D 打印用材料現(xiàn)狀
目前，我國3D打印用材料大都由快速成型廠家直接提供，尚未實(shí)現(xiàn)第三方供應(yīng)通用材料的模式，導(dǎo)致材料的成本非常高。同時(shí)，國內(nèi)尚無針對專用于3D打印的粉末制備研究，對粒度分布、氧含量要求嚴(yán)格，有些單位采用常規(guī)的噴涂粉末替代使用，存在著很多的不適用性。
在3D打印快速成型方面，研發(fā)和生產(chǎn)通用性更強(qiáng)的材料是技術(shù)提升的關(guān)鍵。解決好材料的性能和成本問題，將更好地推動(dòng)我國的快速成型技術(shù)的發(fā)展。目前，我國3D打印快速成型技術(shù)使用的材料大多需從國外進(jìn)口，或設(shè)備廠家自己投入巨大精力和經(jīng)費(fèi)研制，價(jià)格昂貴，致使生產(chǎn)成本提高，而國內(nèi)該機(jī)器使用的材料其強(qiáng)度、精度都較低。3D打印材料國產(chǎn)化已勢在必行。
在高性能金屬構(gòu)件直接制造方面，需要低氧含量、細(xì)粒徑、高球形度的鈦及鈦合金粉末或鎳基、鈷基高溫合金粉末，粉末粒度以-500目為主，氧含量宜低于0.1%，且粒徑均勻，目前高端的合金粉末和制造設(shè)備還主要依靠進(jìn)口。而國外常將原材料與設(shè)備捆綁銷售，賺取大量的利潤。以鎳基粉末為例，原材料成本約200元/ k g，國產(chǎn)產(chǎn)品售價(jià)一般為300 ～400元/ k g，而進(jìn)口粉末售價(jià)常在800元/kg以上。
國內(nèi)尚未針對3D打印技術(shù)用粉末開展相應(yīng)的研究。如粉末成分、夾雜、物理性能對3D打印相關(guān)技術(shù)的影響及適應(yīng)性。因此針對低氧含量、細(xì)粒徑粉末的使用要求，尚需開展鈦及鈦合金粉末成分設(shè)計(jì)、細(xì)粒徑粉末氣霧化制粉技術(shù)、粉末特性對制品性能的影響等研究工作。國內(nèi)受制粉技術(shù)所限，目前細(xì)粒徑粉末制備困難，粉末收得率低、氧及其他雜質(zhì)含量高等，在使用過程中易出現(xiàn)粉末熔化狀態(tài)不均勻，導(dǎo)致制品中氧化物夾雜含量高、致密性差、強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)不均勻等問題，國內(nèi)合金粉末存在的主要問題集中在產(chǎn)品質(zhì)量和批次穩(wěn)定性等方面，包括：①粉末成分的穩(wěn)定性（夾雜數(shù)量、成分均勻性）；②粉末物理性能的穩(wěn)定性（粒度分布、粉末形貌、流動(dòng)性、松裝比等）；③成品率問題（窄粒度段粉末成品率低）等。
三、北京3D 打印用材料研制和供應(yīng)現(xiàn)狀
北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)組織成立了“北京數(shù)字化制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟”，匯聚北京3D打印相關(guān)優(yōu)勢單位，如中航天地激光科技有限公司、清華大學(xué)、有研粉末新材料（北京）有限公司、北京礦冶研究總院、北京數(shù)碼大方科技有限公司、北京國科世紀(jì)激光技術(shù)有限公司、中航工業(yè)北京航空制造工程研究所、機(jī)械科學(xué)研究總院先進(jìn)制造中心、北京印刷學(xué)院等，從材料、設(shè)備、運(yùn)行模式等方面推進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
北京范圍內(nèi)的航空材料研究院、鋼鐵研究總院、北京礦冶研究總院、有研粉末公司等單位，具有研制和生產(chǎn)流動(dòng)性能好、燒結(jié)性能優(yōu)異的合金粉末(主要通過氣體霧化粉工藝和等離子體旋轉(zhuǎn)電極制粉工藝制備)的能力。但還都未做3D打印用粉末的專用材料研制，也沒有建設(shè)專用生產(chǎn)線。其中中航工業(yè)北京航空材料研究院、中國鋼鐵研究總院、有研粉末新材料（北京）有限公司等機(jī)構(gòu)生產(chǎn)的粉末材料是針對粉末冶金或釬焊料用途設(shè)計(jì)研制的，北京礦冶研究總院生產(chǎn)的粉末材料是針對熱噴涂用途設(shè)計(jì)研制。近年來，隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，以上單位也都將一部分精力投入3D打印用粉的研制中，個(gè)別企業(yè)已經(jīng)開始了有針對性的材料研制和適用性研究工作。
北京礦冶研究總院是國內(nèi)最早從事熱噴涂粉末研究與應(yīng)用的大型國有科技型企業(yè)，從事合金粉末的研發(fā)生產(chǎn)工作已有20多年的歷史，積累了豐富的研制與生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，擁有國際先進(jìn)的真空氣霧化設(shè)備（德國ALD公司和萊寶公司生產(chǎn)）以及多套國內(nèi)先進(jìn)的超高壓水霧化制粉設(shè)備。該院已經(jīng)逐漸摸索出了精確控制合金粉末成分的工藝方法，在超細(xì)、低氧含量粉末研制方面擁有豐富的技術(shù)沉淀、先進(jìn)的生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和大量的項(xiàng)目研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，相關(guān)技術(shù)成果獲國家、省部級(jí)獎(jiǎng)20余項(xiàng)，并已為多種型號(hào)航空航天部件提供優(yōu)質(zhì)的合金粉末。目前，該院正在重點(diǎn)進(jìn)行SLM成型金屬粉體研究工作，也取得一定的研究成果。包括：①采用真空氣霧化工藝制備出了適用于3D打印的鎳基、鈷基合金粉末，可滿足醫(yī)用義齒等方面的應(yīng)用試驗(yàn)；②通過熔煉、霧化及后處理工藝的調(diào)整，控制粉末產(chǎn)品組織形態(tài)及物相組成，進(jìn)而針對其對3D打印產(chǎn)品最終性能的影響進(jìn)行了研究；③開展了鈦合金、鈷基合金、鎳基合金粉末、不銹鋼316L粉末在激光快速成型方面的工藝適應(yīng)性研究。實(shí)現(xiàn)細(xì)粒徑、低氧含量、高球形度合金粉末的制備是北京礦冶研究總院的技術(shù)優(yōu)勢所在。
四、3D 打印用特種粉體材料未來發(fā)展趨勢
我國3D打印技術(shù)正處于快速發(fā)展時(shí)期，除了政府高度重視外，還在航空制造應(yīng)用領(lǐng)域獲得了重大突破。雖然我國在高性能金屬構(gòu)件直接制造方面的技術(shù)處于國際領(lǐng)先地位，但3D打印用特種粉體材料的研制和生產(chǎn)相對落后的問題仍然不容忽視。根據(jù)分析，筆者預(yù)計(jì)我國3D打印用特種合金粉體材料的未來發(fā)展趨勢將呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：
1. 高性能的金屬零件直接制造用
材料將成為技術(shù)制高點(diǎn)北京航空航天大學(xué)大學(xué)王華明教授指出，高性能金屬構(gòu)件直接制造技術(shù)將是該領(lǐng)域未來的技術(shù)制高點(diǎn)。3D打印有明確的細(xì)分市場，與快速原型制造技術(shù)相比，金屬構(gòu)件激光直接制造技術(shù)對于我國制造產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)作用更富變革性。高性能難加工的金屬大型復(fù)雜構(gòu)件的激光直接制造有很多優(yōu)勢：一方面，高性能金屬構(gòu)件直接制造技術(shù)與適宜的材料配合可以顯著提高材料利用率，降低制造成本，避免材料浪費(fèi)，節(jié)省生產(chǎn)時(shí)間；另一方面，高性能金屬構(gòu)件直接制造技術(shù)可以制造出用傳統(tǒng)制造方法無法獲得的構(gòu)件形狀，力學(xué)性能也較好，還能實(shí)現(xiàn)多材料復(fù)合成型。與此同時(shí)，用于高性能的金屬零件直接制造的特種粉體材料將是該技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)與保障。只有提升材料工藝，利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)高性能、難加工的大型復(fù)雜整體構(gòu)件才能成為可能。因此，研發(fā)適用于金屬零件激光直接制造的特種合金粉體材料是3D打印技術(shù)的重要發(fā)展方向和主要?jiǎng)恿χ唬粌H可以幫助解決我國一些工業(yè)大型設(shè)備構(gòu)件直接制造的技術(shù)瓶頸問題，而且也將是我國未來搶占3D打印增材制造技術(shù)戰(zhàn)略制高點(diǎn)的重要手段。
2.3D 打印將用于新材料研制
增材制造過程實(shí)際上是在微米層面、或者分子層合成一些新的材料，這樣的新材料可以實(shí)現(xiàn)把不同的材料復(fù)合在一起，從而具有一些特殊的性質(zhì)，這種新材料是傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)不出來的。例如：在制造一個(gè)產(chǎn)品時(shí)，某個(gè)地方要求材料強(qiáng)度高，某個(gè)地方要求韌性好，某個(gè)地方又要求耐腐蝕或者耐磨，用“3D打印”方式合成的新材料，能夠同時(shí)滿足這些要求。新材料將應(yīng)用于3D打印技術(shù)中，同時(shí)3D打印采用不同材料復(fù)合可能制造出新材料，二者將是相互促進(jìn)的過程。
3.3D 打印用耗材生產(chǎn)通用化和專業(yè)化
目前3D打印只能是采用單一耗材進(jìn)行打印，并且不同的打印機(jī)對應(yīng)不同的打印材料，未來的發(fā)展趨勢是實(shí)現(xiàn)多耗材打印。一方面，打印材料通用化，同一種材料可以適應(yīng)于不同的打印設(shè)備；另一方面，打印設(shè)備對材料的選擇性也更大，可實(shí)現(xiàn)多種材料同時(shí)打印。一但設(shè)備的兼容性增強(qiáng)，材料的性能將更加穩(wěn)定。（文/ 袁建鵬 北京礦冶研究總院特種涂層材料與技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）
一、國際3D 打印產(chǎn)業(yè)及其專用材料研發(fā)現(xiàn)狀
1.全球3D 打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
世界各國正在不斷加強(qiáng)3D打印技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用。歐盟和美國引領(lǐng)著世界3D打印技術(shù)的發(fā)展，并在該技術(shù)的應(yīng)用和推廣領(lǐng)域獲得先機(jī)。美國將“3D打印”研發(fā)中心作為新建的15個(gè)國家制造創(chuàng)新中心之首，政府直接投資3000萬美元進(jìn)行支持；近日，美國國家航空航天局和洛克達(dá)因公司共同完成了3D打印火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴射器的測試，工時(shí)和成本驟降，全尺寸3D打印零件將是未來美國開發(fā)的重點(diǎn)方向；歐洲也十分重視對3D打印技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志是最早將3D打印稱為“第三次工業(yè)革命的引擎”的媒體；2013年10月份，歐洲航天局公布了“將3D打印帶入金屬時(shí)代”的計(jì)劃，旨在為宇宙飛船、飛機(jī)和聚變項(xiàng)目制造零部件，最終的目標(biāo)是采用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)由一整塊金屬構(gòu)成、不需要焊接或熔合的整顆衛(wèi)星的整體制造；澳大利亞在2013年制定了金屬3D打印技術(shù)路線，并于2013年6月揭牌成立“中澳輕金屬聯(lián)合研究中心（3D打�。�；德國將“選擇性激光熔結(jié)技術(shù)”列入“德國光子學(xué)研究”；日本著力推動(dòng)3D打印產(chǎn)業(yè)鏈后端，不斷嘗試將本國已取得的技術(shù)成果在工業(yè)中進(jìn)行推廣和應(yīng)用；南非政府將目光投向大型3D打印機(jī)設(shè)備的研制和開發(fā)，將核心激光設(shè)備研制與扶持激光技術(shù)協(xié)同發(fā)展；我國地方政府也非常重視3D打印產(chǎn)業(yè)，珠海、青島、四川雙流、南京等地先后建立了多個(gè)3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心和科技園。
3D打印飛機(jī)鈦合金零部件
全球3D打印產(chǎn)業(yè)的權(quán)威研究機(jī)構(gòu)——美國沃勒斯公司發(fā)布的全球3D打印產(chǎn)業(yè)報(bào)告顯示，2012年全球3D打印市場總收入為22億美元，其中包括設(shè)備和服務(wù)。美國的產(chǎn)業(yè)收入一馬當(dāng)先，大約占全球總收入的60%，傳統(tǒng)的制造業(yè)強(qiáng)國——德國和日本比較重視制造技術(shù)的革新，3D打印產(chǎn)業(yè)收入各約占全球的10%，中國作為未來巨大的應(yīng)用市場，產(chǎn)業(yè)收入已約占全球總收入的10%，有望成為世界3D打印產(chǎn)業(yè)的一極。據(jù)美國消費(fèi)者電子協(xié)會(huì)最新發(fā)布的年度報(bào)告顯示，3D打印服務(wù)的社會(huì)需求量將逐年增長，其產(chǎn)值到2017年有望增長至50億美元。
2.3D 打印用材料發(fā)展現(xiàn)狀
有專家指出，3D打印的核心是它對傳統(tǒng)制造模式的顛覆，因此，從某種意義上說，3D打印最關(guān)鍵的不是機(jī)械制造，而是材料研發(fā)。
3D打印對原材料的要求比較苛刻，滿足激光工藝的適用性要求所選的材料需要以粉末或絲棒狀形態(tài)提供。材料融化后在軟件程序驅(qū)動(dòng)下，自動(dòng)按設(shè)計(jì)工藝完成各切片的凝固，使材料重新結(jié)合起來，完成成型。由于整個(gè)過程涉及材料的快速融化和凝固等物態(tài)變化，對適用的材料性能要求極高，從而材料成本居高不下。比如，即使打印一個(gè)手機(jī)大小的產(chǎn)品，整個(gè)耗材價(jià)格至少要150元以上�；诖�，未來3D打印產(chǎn)業(yè)需要不懈追求的目標(biāo)仍將是：“研發(fā)出更多種類的材料”、“使材料獲得與工藝更匹配的性能”、“實(shí)現(xiàn)更高的制備工藝精度和更廉的原材料價(jià)格”以及“將3D打印的直接制造技術(shù)應(yīng)用到更多更廣的領(lǐng)域”。
3D打印技術(shù)包括“快速原型制造技術(shù)”和“金屬構(gòu)件直接制造技術(shù)”2大類。目前公眾所了解的3D打印成果和案例大多屬于“快速原型制造技術(shù)”范疇。其實(shí)快速原型制造的范疇比較廣，除了3D打印還有“熔融沉積造型”、“選擇性激光燒結(jié)”、“立體印刷”、“疊層實(shí)體造型”等多種方式。因此，3D打印并不能完全涵蓋“快速原型制造”，而只是實(shí)現(xiàn)快速原型制造的路徑之一。另外一個(gè)分支是高性能的金屬零件直接制造，這一領(lǐng)域可謂意義重大，但難度也更大，對材料和設(shè)備的要求極其苛刻，是3D打印技術(shù)的制高點(diǎn)。
（1）快速原型制造用材料
快速原型制造即通常所說的快速成型，近年來應(yīng)用不斷拓展，發(fā)展極為迅速，已成為工業(yè)模型設(shè)計(jì)與制作中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。最早主要是做樹脂、石蠟、紙等原型件，用途集中在新產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)方面，通過該技術(shù)可以簡便、快速地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化和產(chǎn)品的評(píng)估，由于其“所見即所造”的特點(diǎn)，能夠省去大量生產(chǎn)準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，從而顯著縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期，最終使新產(chǎn)品的研發(fā)成本顯著降低。我國3D打印目前2億元/ a的產(chǎn)值基本來源于此。近年快速成型加入選擇性激光燒結(jié)工藝，使3D打印在保持高效率的同時(shí)，制造精度也得到顯著提升。
目前3D打印快速成型用特種粉體材料大多是設(shè)備工藝廠商針對各自設(shè)備特點(diǎn)定制的，優(yōu)點(diǎn)是與專屬設(shè)備的適用性好、研制難度相對小，缺點(diǎn)是材料的產(chǎn)業(yè)通用性差、產(chǎn)品成型過程的精度有待提高、產(chǎn)品成型后的強(qiáng)度較低。可見，制品表面精度受粉末原材特性的制約明顯，工藝對材料依賴性不容忽視。
（2）高性能金屬構(gòu)件直接制造技術(shù)用材料
高性能金屬構(gòu)件直接制造技術(shù)起步于20世紀(jì)90年代初，工藝難度比較大，主要采用高功率的能量束如激光或電子束作為熱源，使粉末材料進(jìn)行選區(qū)熔化，冷卻結(jié)晶后形成嚴(yán)格按設(shè)計(jì)制造的堆積層，堆積層連續(xù)成型，形成最終產(chǎn)品。到目前為止，工業(yè)上的小型金屬構(gòu)件直接制造相對容易，體積較大的金屬構(gòu)件的直接制造難度非常大，對材料和工藝控制的要求很高。這將是增材制造產(chǎn)業(yè)推動(dòng)相關(guān)工業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)方向，也將是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。其最大的難度在于材料和成型工藝。以鈦合金為例，激光熔化后的材料凝固會(huì)造成鈦合金體積收縮，造成巨大的材料熱應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力對小型構(gòu)件影響不大，但隨著零件尺寸的增加，成型變得非常困難，即使能夠成型也會(huì)由于大的內(nèi)應(yīng)力嚴(yán)重影響材料強(qiáng)度。第二個(gè)難題是材料冷卻結(jié)晶過程復(fù)雜，材料結(jié)晶過程很難定量控制，一旦出現(xiàn)晶體粗大、枝晶等必將造成材料成型后的力學(xué)性能不佳等問題，最終結(jié)果就是關(guān)鍵構(gòu)件沒辦法獲得實(shí)際應(yīng)用。
高性能金屬構(gòu)件直接制造技術(shù)自問世伊始，就與配套材料的發(fā)展密不可分。近年來，金屬構(gòu)件直接制造所使用的高性能特種粉體材料備受關(guān)注。歐美等國已經(jīng)比較成熟地實(shí)現(xiàn)了小尺寸不銹鋼、高溫合金等零件的激光直接成形，未來高溫合金、鈦合金材質(zhì)大型金屬構(gòu)件的激光快速成形作將成為主要技術(shù)的攻關(guān)方向。我國北京航空航天大學(xué)團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域走在了世界前列，他們通過激光直接制造成套裝備的研制和對大型鈦合金金屬結(jié)構(gòu)件成形原理的探究，已掌握高性能金屬構(gòu)件直接制造核心技術(shù)，其成果已應(yīng)用于多種型號(hào)飛機(jī)的研制中。但國內(nèi)用于金屬構(gòu)件直接制造的材料主要依賴進(jìn)口，國產(chǎn)化的同類材料。目前還存在著氧含量高、球形度差、成分均勻性差以及粒度分布不佳等問題，這在一定程度上限制著我國高端3D打印產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。
合金粉末內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)對3D打印最終產(chǎn)品的影響較大，組織粗大的粉末熔覆性能較差。高性能金屬構(gòu)件直接制造用特種粉末要求低氧含量和高球形度，行業(yè)內(nèi)主要由氣霧化和真空氣霧化工藝制備。合金粉末的制備方法主要有水霧化、氣霧化和真空霧化等，其中真空霧化制備的粉末具有氧含量低、球形度高、成分均勻等特點(diǎn)，應(yīng)用效果最佳。
高性能金屬構(gòu)件直接制造所用材料主要是鈦及鈦合金粉末材料和鎳基或鈷基的高溫合金類粉末材料。鈦及鈦合金粉末材料采用粉末冶金法制造零部件是少切削或無切削的近凈成型工藝，金屬的利用率接近100%，是降低鈦及鈦合金零件使用成本的最佳方式。目前鈦及鈦合金粉末制備方法主要有等離子旋轉(zhuǎn)電極、單棍快淬、霧化法等，其中旋轉(zhuǎn)電極法因其動(dòng)平衡問題，主要制備20目左右的粗粉；單棍快淬法制備的粉末多為不規(guī)則形狀、雜質(zhì)含量高，而氣體霧化法制備的粉末具有氧及其他雜質(zhì)含量低、球形度好、粒度可控、冷卻速度快、細(xì)粉收得率高等優(yōu)點(diǎn)，是高品質(zhì)鈦及鈦合金粉末的主要制備工藝。
國外鈦及鈦合金粉末的研究由來已久，技術(shù)相對成熟，美國在1985年發(fā)表了水冷銅坩堝惰氣霧化法的專利，在1988年建立起年產(chǎn)11t的粉末研制線；而日本在1990年已建立年產(chǎn)60t的惰氣霧化粉末生產(chǎn)線，并實(shí)現(xiàn)規(guī)�；a(chǎn)；而國內(nèi)在霧化設(shè)備及粉末制備工藝方面，主要為移植和仿研，高性能制粉設(shè)備仍以進(jìn)口為主，在水冷銅坩堝制備技術(shù)、底注式霧化方式等方面仍和國外差距較大；在粉末制備方面，目前粉末的粒度主要集中于：40 ～300目之間，雜質(zhì)元素如鈣、氫、氧等也高于國外同類產(chǎn)品水平，如國內(nèi)制備的真空鈦合金釬焊料由于雜質(zhì)含量高，在使用過程中存在潤濕性差、焊縫質(zhì)量不均勻、焊接強(qiáng)度低等問題。
鎳基或鈷基的高溫合金粉末的制備方法主要有霧化法、旋轉(zhuǎn)電極法、還原法等。霧化法主要有二流霧化、離心霧化等方法。氣霧化（含真空霧化）屬于二流霧化，具有環(huán)境污染小、粉末球形度高、氧含量低以及冷卻速率大等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)歷近200年的發(fā)展,氣霧化已經(jīng)成為生產(chǎn)高性能金屬及合金粉末的主要方法。不過，霧化合金粉末易也出現(xiàn)一些缺陷，例如夾雜物、熱誘導(dǎo)孔洞、原始粉末顆粒邊界物。對于3D打印技術(shù)來說，粉體材料中夾雜物和熱誘導(dǎo)孔洞都會(huì)對成型部件產(chǎn)生影響。
二、我國3D 打印及其專用材料產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
1. 國內(nèi)3D 打印產(chǎn)業(yè)現(xiàn)況
3D打印技術(shù)在我國還處于發(fā)展初期，產(chǎn)業(yè)體量相對較小。同時(shí)，中國制造業(yè)各個(gè)環(huán)節(jié)對3D打印技術(shù)的認(rèn)識(shí)還存在很多不足。從實(shí)際發(fā)展情況來看，截至目前3D打印并沒有實(shí)現(xiàn)成熟的產(chǎn)業(yè)化，從設(shè)備到產(chǎn)品再到服務(wù)仍停留在“高級(jí)玩具”階段。但是，國內(nèi)從政府到企業(yè)，普遍認(rèn)可3D打印技術(shù)的發(fā)展前景，政府和社會(huì)普遍關(guān)注未來3D打印技術(shù)將對我國現(xiàn)有的生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)、制造模式等造成的影響。
根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)，目前，我國對3D打印技術(shù)的需求并非集中在設(shè)備上，而是體現(xiàn)在對3D打印用耗材種類多樣性和對代理加工服務(wù)的需求上。工業(yè)客戶是我國采購3D打印設(shè)備的主力軍，他們所購買的設(shè)備主要用于航空、航天、電子產(chǎn)品、交通工具、設(shè)計(jì)、醫(yī)療、文化創(chuàng)意等行業(yè)。目前，3D打印機(jī)在中國企業(yè)的裝機(jī)量約500臺(tái)，年增速為60%左右。即使這樣，目前的市場規(guī)模也僅為1億元/年左右。而3D打印用材料的研發(fā)和生產(chǎn)潛在需求規(guī)模已近10億元/年，隨著設(shè)備工藝的普及和進(jìn)步，規(guī)模還將迅速增長；同時(shí)3D打印相關(guān)委托加工服務(wù)非常火爆，多家代理3D打印設(shè)備的公司對激光燒結(jié)工藝和設(shè)備應(yīng)用已非常成熟，可對外進(jìn)行加工服務(wù)，由于單臺(tái)設(shè)備價(jià)格一般在500萬元以上，市場接受度不高，但代理加工服務(wù)卻非�；鸨�。
2. 國內(nèi)3D 打印用材料現(xiàn)狀
目前，我國3D打印用材料大都由快速成型廠家直接提供，尚未實(shí)現(xiàn)第三方供應(yīng)通用材料的模式，導(dǎo)致材料的成本非常高。同時(shí)，國內(nèi)尚無針對專用于3D打印的粉末制備研究，對粒度分布、氧含量要求嚴(yán)格，有些單位采用常規(guī)的噴涂粉末替代使用，存在著很多的不適用性。
在3D打印快速成型方面，研發(fā)和生產(chǎn)通用性更強(qiáng)的材料是技術(shù)提升的關(guān)鍵。解決好材料的性能和成本問題，將更好地推動(dòng)我國的快速成型技術(shù)的發(fā)展。目前，我國3D打印快速成型技術(shù)使用的材料大多需從國外進(jìn)口，或設(shè)備廠家自己投入巨大精力和經(jīng)費(fèi)研制，價(jià)格昂貴，致使生產(chǎn)成本提高，而國內(nèi)該機(jī)器使用的材料其強(qiáng)度、精度都較低。3D打印材料國產(chǎn)化已勢在必行。
在高性能金屬構(gòu)件直接制造方面，需要低氧含量、細(xì)粒徑、高球形度的鈦及鈦合金粉末或鎳基、鈷基高溫合金粉末，粉末粒度以-500目為主，氧含量宜低于0.1%，且粒徑均勻，目前高端的合金粉末和制造設(shè)備還主要依靠進(jìn)口。而國外常將原材料與設(shè)備捆綁銷售，賺取大量的利潤。以鎳基粉末為例，原材料成本約200元/ k g，國產(chǎn)產(chǎn)品售價(jià)一般為300 ～400元/ k g，而進(jìn)口粉末售價(jià)常在800元/kg以上。
國內(nèi)尚未針對3D打印技術(shù)用粉末開展相應(yīng)的研究。如粉末成分、夾雜、物理性能對3D打印相關(guān)技術(shù)的影響及適應(yīng)性。因此針對低氧含量、細(xì)粒徑粉末的使用要求，尚需開展鈦及鈦合金粉末成分設(shè)計(jì)、細(xì)粒徑粉末氣霧化制粉技術(shù)、粉末特性對制品性能的影響等研究工作。國內(nèi)受制粉技術(shù)所限，目前細(xì)粒徑粉末制備困難，粉末收得率低、氧及其他雜質(zhì)含量高等，在使用過程中易出現(xiàn)粉末熔化狀態(tài)不均勻，導(dǎo)致制品中氧化物夾雜含量高、致密性差、強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)不均勻等問題，國內(nèi)合金粉末存在的主要問題集中在產(chǎn)品質(zhì)量和批次穩(wěn)定性等方面，包括：①粉末成分的穩(wěn)定性（夾雜數(shù)量、成分均勻性）；②粉末物理性能的穩(wěn)定性（粒度分布、粉末形貌、流動(dòng)性、松裝比等）；③成品率問題（窄粒度段粉末成品率低）等。
三、北京3D 打印用材料研制和供應(yīng)現(xiàn)狀
北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)組織成立了“北京數(shù)字化制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟”，匯聚北京3D打印相關(guān)優(yōu)勢單位，如中航天地激光科技有限公司、清華大學(xué)、有研粉末新材料（北京）有限公司、北京礦冶研究總院、北京數(shù)碼大方科技有限公司、北京國科世紀(jì)激光技術(shù)有限公司、中航工業(yè)北京航空制造工程研究所、機(jī)械科學(xué)研究總院先進(jìn)制造中心、北京印刷學(xué)院等，從材料、設(shè)備、運(yùn)行模式等方面推進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
北京范圍內(nèi)的航空材料研究院、鋼鐵研究總院、北京礦冶研究總院、有研粉末公司等單位，具有研制和生產(chǎn)流動(dòng)性能好、燒結(jié)性能優(yōu)異的合金粉末(主要通過氣體霧化粉工藝和等離子體旋轉(zhuǎn)電極制粉工藝制備)的能力。但還都未做3D打印用粉末的專用材料研制，也沒有建設(shè)專用生產(chǎn)線。其中中航工業(yè)北京航空材料研究院、中國鋼鐵研究總院、有研粉末新材料（北京）有限公司等機(jī)構(gòu)生產(chǎn)的粉末材料是針對粉末冶金或釬焊料用途設(shè)計(jì)研制的，北京礦冶研究總院生產(chǎn)的粉末材料是針對熱噴涂用途設(shè)計(jì)研制。近年來，隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，以上單位也都將一部分精力投入3D打印用粉的研制中，個(gè)別企業(yè)已經(jīng)開始了有針對性的材料研制和適用性研究工作。
北京礦冶研究總院是國內(nèi)最早從事熱噴涂粉末研究與應(yīng)用的大型國有科技型企業(yè)，從事合金粉末的研發(fā)生產(chǎn)工作已有20多年的歷史，積累了豐富的研制與生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，擁有國際先進(jìn)的真空氣霧化設(shè)備（德國ALD公司和萊寶公司生產(chǎn)）以及多套國內(nèi)先進(jìn)的超高壓水霧化制粉設(shè)備。該院已經(jīng)逐漸摸索出了精確控制合金粉末成分的工藝方法，在超細(xì)、低氧含量粉末研制方面擁有豐富的技術(shù)沉淀、先進(jìn)的生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和大量的項(xiàng)目研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，相關(guān)技術(shù)成果獲國家、省部級(jí)獎(jiǎng)20余項(xiàng)，并已為多種型號(hào)航空航天部件提供優(yōu)質(zhì)的合金粉末。目前，該院正在重點(diǎn)進(jìn)行SLM成型金屬粉體研究工作，也取得一定的研究成果。包括：①采用真空氣霧化工藝制備出了適用于3D打印的鎳基、鈷基合金粉末，可滿足醫(yī)用義齒等方面的應(yīng)用試驗(yàn)；②通過熔煉、霧化及后處理工藝的調(diào)整，控制粉末產(chǎn)品組織形態(tài)及物相組成，進(jìn)而針對其對3D打印產(chǎn)品最終性能的影響進(jìn)行了研究；③開展了鈦合金、鈷基合金、鎳基合金粉末、不銹鋼316L粉末在激光快速成型方面的工藝適應(yīng)性研究。實(shí)現(xiàn)細(xì)粒徑、低氧含量、高球形度合金粉末的制備是北京礦冶研究總院的技術(shù)優(yōu)勢所在。
四、3D 打印用特種粉體材料未來發(fā)展趨勢
我國3D打印技術(shù)正處于快速發(fā)展時(shí)期，除了政府高度重視外，還在航空制造應(yīng)用領(lǐng)域獲得了重大突破。雖然我國在高性能金屬構(gòu)件直接制造方面的技術(shù)處于國際領(lǐng)先地位，但3D打印用特種粉體材料的研制和生產(chǎn)相對落后的問題仍然不容忽視。根據(jù)分析，筆者預(yù)計(jì)我國3D打印用特種合金粉體材料的未來發(fā)展趨勢將呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：
1. 高性能的金屬零件直接制造用
材料將成為技術(shù)制高點(diǎn)北京航空航天大學(xué)大學(xué)王華明教授指出，高性能金屬構(gòu)件直接制造技術(shù)將是該領(lǐng)域未來的技術(shù)制高點(diǎn)。3D打印有明確的細(xì)分市場，與快速原型制造技術(shù)相比，金屬構(gòu)件激光直接制造技術(shù)對于我國制造產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)作用更富變革性。高性能難加工的金屬大型復(fù)雜構(gòu)件的激光直接制造有很多優(yōu)勢：一方面，高性能金屬構(gòu)件直接制造技術(shù)與適宜的材料配合可以顯著提高材料利用率，降低制造成本，避免材料浪費(fèi)，節(jié)省生產(chǎn)時(shí)間；另一方面，高性能金屬構(gòu)件直接制造技術(shù)可以制造出用傳統(tǒng)制造方法無法獲得的構(gòu)件形狀，力學(xué)性能也較好，還能實(shí)現(xiàn)多材料復(fù)合成型。與此同時(shí)，用于高性能的金屬零件直接制造的特種粉體材料將是該技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)與保障。只有提升材料工藝，利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)高性能、難加工的大型復(fù)雜整體構(gòu)件才能成為可能。因此，研發(fā)適用于金屬零件激光直接制造的特種合金粉體材料是3D打印技術(shù)的重要發(fā)展方向和主要?jiǎng)恿χ唬粌H可以幫助解決我國一些工業(yè)大型設(shè)備構(gòu)件直接制造的技術(shù)瓶頸問題，而且也將是我國未來搶占3D打印增材制造技術(shù)戰(zhàn)略制高點(diǎn)的重要手段。
2.3D 打印將用于新材料研制
增材制造過程實(shí)際上是在微米層面、或者分子層合成一些新的材料，這樣的新材料可以實(shí)現(xiàn)把不同的材料復(fù)合在一起，從而具有一些特殊的性質(zhì)，這種新材料是傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)不出來的。例如：在制造一個(gè)產(chǎn)品時(shí)，某個(gè)地方要求材料強(qiáng)度高，某個(gè)地方要求韌性好，某個(gè)地方又要求耐腐蝕或者耐磨，用“3D打印”方式合成的新材料，能夠同時(shí)滿足這些要求。新材料將應(yīng)用于3D打印技術(shù)中，同時(shí)3D打印采用不同材料復(fù)合可能制造出新材料，二者將是相互促進(jìn)的過程。
3.3D 打印用耗材生產(chǎn)通用化和專業(yè)化
目前3D打印只能是采用單一耗材進(jìn)行打印，并且不同的打印機(jī)對應(yīng)不同的打印材料，未來的發(fā)展趨勢是實(shí)現(xiàn)多耗材打印。一方面，打印材料通用化，同一種材料可以適應(yīng)于不同的打印設(shè)備；另一方面，打印設(shè)備對材料的選擇性也更大，可實(shí)現(xiàn)多種材料同時(shí)打印。一但設(shè)備的兼容性增強(qiáng)，材料的性能將更加穩(wěn)定。（文/ 袁建鵬 北京礦冶研究總院特種涂層材料與技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）
