材料3D打印技术的研究进展

黄卫东（西北工业大学材料学院）

材料3D打印技术的研究进展

黄卫东
（西北工业大学材料学院）

本文引用格式：黄卫东.材料3D打印技术的研究进展［J］.新型工业化，2016，6（3）：53-70.

1 发展材料3D 打印技术产业的背景需求及战略意义

3D打印是一种逐点、逐线、逐面增加材料而形成三维复杂结构零件的制造方法。一方面，它可以适用于几乎任何类型材料的制造；另一方面，它又将通过创造适合于其独特工艺特性的大量新材料而推动材料技术的发展。

发展材料3D 打印技术产业的背景需求及战略意义突出体现在以下几个方面：

1.1 我国经济社会转型发展的需求

我国正处在经济社会转型发展的一个根本转折点上。党的十八大要求把国家经济和社会发展转变到创新驱动的轨道上来， 从根本上改变改革开放以来依靠投资、廉价的自然和人力资源拉动的“技术跟踪”型发展方式。创新驱动的发展主要依靠先进的科学技术和创新人才支撑，3D打印不仅本身是引领制造业发展方向的先进科学技术，还是一种开启创新设计、培养创造性思维方式和能力的极佳手段。

3D打印开创了一种全新的增材成形原理。在其发展初期，由于材料技术不过关，而只能用于快速原型制造，使得这一新技术一度以“快速原型”技术而闻名世界。随着材料技术的发展，3D打印进入了直接制造高性能构件的新阶段，从而开启了制造业革命性发展的序幕。

提高我国制造业总体水平对3D打印制造技术提出了许多重大需求。随着在零件直接制造方面取得进展，3D打印制造技术突破了产品结构形态的约束，能够加工出传统制造工艺方法无法加工或难以加工的非常规结构特征的零部件，从而丰富和拓展制造工艺手段。3D打印制造工艺流程短，能与铸造、金属冷喷涂、机加等现有制造工艺集成，形成复合制造工艺，从而降低制造成本和缩短制造周期。与传统的减材制造（切削加工）不同，3D打印是一个新发展的技术，我国在3D打印制造技术方面与世界先进技术水平差距不大，甚至在某些方面还处于世界领先地位。通过有效的国家支持和引导，强化并保持3D打印方面的优势，弥补传统制造方面的不足，对实现我国制造业的跨越式发展和弯道超车，提高我国制造业的整体水平具有重要的现实意义。

产业结构转型升级对3D打印制造技术提出了重大需求。3D打印制造技术将实现从大规模生产方式向“按需定制”、“因人定制”的个性化定制方式发展，实现社会化“泛在制造”。与互联网相融合，依托3D打印制造技术，将催生创新创意设计、个性化定制、专业化服务、数据服务等一批现代制造服务业。一方面能够推动制造产业向价值链高端拓展，促进制造业与服务业融合发展，另一方面能够大大提高我国现代服务业在整体服务业中的比重，提高服务业在经济结构中的比重。这些对促进我国经济整体向服务化方向发展，优化三大产业之间的结构都具有重要的促进作用。

建设创新型国家、实现强国战略对3D打印制造技术也提出了迫切需求。3D打印制造技术能够让设计师在很大程度上从制造工艺及装备的约束中解放出来，更多关注产品的创意创新、功能性能，减少创新设计过程受到的工艺约束与限制，从而拓展创新设计空间，实现更丰富的产品设计创新。3D打印制造技术也能够极大地提升产品性能，制造出传统工艺方法难以实现甚至无法实现的空心结构、多孔结构、网格结构、异质材料结构和功能梯度结构，实现产品结构轻量化、高性能化和功能集成化。借助互联网，普通大众可以将新颖的构思、想法在数字空间进行表达，并通过3D打印在物理空间得以实现，这必将极大激发普通大众的创新激情，开启经济和社会运行模式的革命性变化，为我国建设创新型国家提供不竭的源动力。

1.2 材料3D打印对于工业化和信息化深度融合具有十分重要的意义

工业和信息化部于2013年8月发布了“信息化和工业化深度融合专项行动计划”，指出：“推动信息化和工业化深度融合是加快转变发展方式，促进四化同步发展的重大举措，是走中国特色新型工业化道路的必然选择。…对于破解当前发展瓶颈，实现工业转型升级，具有十分重要的意义。” 关于“智能制造生产模式培育行动”的目标，明确提出了“加快工业机器人、增材制造（3D打印）等先进制造技术在生产过程中应用。”

诞生于上个世纪八十年代末期的3D打印技术是制造技术原理的一次革命性突破，它形成了最能代表信息化时代特征的材料制造技术，即以信息技术为支撑，以柔性化的产品制造方式最大限度地满足无限丰富的个性化需求。

1892年一个立体地形模型制造的美国专利首创了叠层制造原理，在其后的一百年间，类似的叠层制造专利有数百个之多，实践中的技术探索也层出不穷。但以1988年第一台可以工业应用的立体光刻机器的诞生为标志，以快速满足柔性化需求为主要应用目标的现代3D打印技术才真正形成。可以说，如果没有CAD实体模型设计和对其进行分层剖分的软件技术，没有能够控制激光束按任意设定轨迹运动的振镜技术、数控机床或机器手，3D打印技术的柔性化特征就只能停留在一种理想化的原理层面。因此，3D打印技术应该被称之为信息化增材制造技术或数字化增材制造技术。从这个意义上看，3D打印技术本身就是两化深度融合的先进制造技术。更进一步，3D打印技术为机械结构的拓扑优化设计提供了技术实现途径。拓扑优化设计是高度信息化的设计技术，但过去因为没有可行的技术实现途径而难以在机械结构设计和制造中发挥作用。3D打印技术与拓扑优化设计相结合，为制造业带来了高度信息化的美好前景。

1.3 在高新技术发展前沿与发达国家并驾齐驱的难得机遇

我国在传统的材料制造技术领域与发达国家差距很大，短期内很难显著缩小差距。但在3D打印的科学研究和技术发展方面，中国和发达国家差距很小，有个别方面甚至领先。

在国家研发投入的持续支持和重大工程需求的拉动下，我国已形成体系结构基本完整的3D打印技术研发体系，在个别领域达到国际领先水平，具备跨越式快速发展的良好基础。比如：在3D打印的材料科学基础方面有一些比较系统深入的研究，开发了一系列3D打印非金属材料，金属3D打印达到了非常优异的力学性能；研制了一批先进光固化、激光选区烧结、激光选区熔化、激光沉积成形、熔融沉积、电子束制造等工艺装备；在航空发动机零件制造、飞机功能件和承力件制造、航天复杂结构件制造、汽车家电行业新产品研发、个性化医疗等方面得到了初步应用；涌现出几十家3D打印设备制造与服务企业；近年来在多地相继出现的一批3D打印技术服务中心，利用3D打印技术辅助当地企业的新产品快速开发，为家电、数码、汽车等行业新产品快速开发与创新设计提供了支撑。

在此基础上，通过进一步加强研究和产业化应用，我国完全有可能在这一将对未来社会产生重大影响的高新技术发展前沿与发达国家并驾齐驱。

1.4 材料已经成为影响3D打印未来发展方向的关键因素

美国材料与试验协会（ASTM）F42国际委员会在2012年公布的标准中对3D打印有明确的概念定义：3D打印是指采用打印头、喷嘴或其它打印技术沉积材料来制造物体的技术（3D打印技术也常用“增材制造”技术来表示）。近二十年来，3D打印技术取得了快速的发展，到目前为止，已经形成了20多种不同的3D打印装备。随着3D打印装备趋于成熟和商业化，3D打印材料已经成为影响3D打印未来发展方向的关键因素。目前，3D打印用材料根据化学组分大体上可以分为有机高分子材料、金属材料、无机非金属材料和复合材料。根据行业知名报告wohlers report的数据，2013年全球3D打印产业产值达到了30.7亿美元，与2012年相比增幅34.9%，3D打印用材料2013年的产值达到了5.288亿美元（如图1所示），与2013年相比增幅26.8%，其中光敏类高分子材料约为2.29亿美元，激光烧结用高分子材料约为1.35亿美元，金属材料3260万美元。材料在整个3D打印产业中的产值份额目前仅占约17.2%，但据IDTechEx2014年11月的市场预测报告，3D打印材料产值将在2023年超越3D打印设备的产值，而在2025年将达到83亿美元。

3D打印作为快速发展的战略性新兴产业，欧美等发达国家纷纷制定针对发展3D打印技术及材料的国家战略。美国奥巴马政府2012年3月投资10亿美元组建美国国家制造业创新网络（NNMI），3D打印是其中一个主要方向，而材料则是3D打印研究方向的重点研究内容。

美国材料与试验协会（ASTM）针对3D打印技术组建了F42国际委员会进行标准化的制定工作，在其制定的标准框架中，将材料作为独立分支开展相关工作（如图2所示），同时与国际标准化组织ISO开展标准的联合制定工作，部分标准已经上升为国际标准。

图1 2001-2103年全球3D打印材料产业情况（单位：百万美元）

图2 美国材料与试验协会F42委员会3D打印标准制定框架

从总体上看，我国3D打印装备的技术水平与国外先进水平差距较小，但在3D打印成形材料方面差距较大，表现在3D打印材料的种类少、质量有差距，产值规模小，等等。因此，加强3D打印材料研究，完善3D打印产业链，扩大产业规模，是中国3D打印事业发展的一个十分重要的战略方向。

2 材料3D 打印技术产业的国际发展现状及趋势

2012年8月，作为落实美国制造业创新网络计划的第一步，美国政府高调宣布成立国家增材制造创新中心（National Additive Manufacturing Innovation Institute， NAMII ），并于一年后将该中心更名为“美国制造”（America Makes），体现美国政府强化“美国发明，美国制造”的战略构想。奥巴马总统强调这个创新中心的成立是强化美国制造业的重要步骤。这一事件，说明美国政府明确把3D打印技术作为引领制造业发展新方向的最先进的新技术之首。英国国家技术战略委员会在“未来的高附加值制造技术展望”的报告中则把3D打印技术作为提升国家竞争力应对未来挑战亟需发展的22项先进技术之一。法国快速原型制造协会（Association Française de Prototypage Rapide， AFPR）则致力于3D打印技术标准的研究和3D打印技术的应用。而德国于2008年就成立了以3D打印为主要技术对象的直接制造研究中心（Direct Manufacturing Research Center， DMRC），西门子（Siemens）、空客（AirBus）、波音（Boeing）公司等知名单位为该中心提供资助。澳大利亚和新西兰等澳洲国家对增材制造也给予相当关注。2012年，澳大利亚政府倡导成立“增材制造协同研究中心（Advanced Manufacturing Cooperative Research Centre，AMCRC）”，促进以终端客户驱动的协作研究。日本在前期就开始重视3D打印技术，积极领导企业发展。从1988年到2011年，日本的所有增材制造设备厂商共销售了1825套设备。新加坡政府也投资4亿美元建设3D打印研究设施。可以看到，世界科技强国和新兴国家都将3D打印技术作为未来产业发展新的增长点加以培育和支持，力争抢占未来科技产业的制高点，通过科技创新推动社会发展。

欧美等发达国家在积极发展3D打印装备的同时，将3D打印材料作为3D打印技术的必要组成部分而予以重点发展，已经形成了涵盖装备、材料和工艺的完整产业链，一批重点3D打印企业已经由单一的设备制造商过渡为综合解决方案提供商，为客户提供从设计到终端零件制造的一体化解决方案，并在陶瓷、金属、复合材料以及生物材料方面进行研发和产业化工作。

2.1 非金属3D打印材料技术与产业

Stratasys和3D Systems作为两家占据全球3D打印市值70%的上市公司，涉及的3D打印非金属材料产品多达上百种。其中，Stratasys公司研发了彩色打印技术及材料，通过14种基本材料相互调配形成超过100种不同色彩的材料（图3）。该公司新近研发的尼龙材料具有优异的抗折和耐冲击性能，能够有效解决航空航天、汽车、家用电子领域经受强烈震动，重复压力以及频繁使用的功能零部件（图4）。

图3 彩色3D打印材料

图4 高性能3D打印尼龙复合材料零件

3D system公司除了拥有通用型的3D打印材料，针对细分市场又针对性地研发了专用材料，如牙模领域的耐高温性树脂材料（图5）。

图5 3D打印牙模树脂材料

荷兰皇家帝斯曼公司旗下的DSM公司拥有超过十种以上的3D打印光敏材料，是一家专门生产3D打印材料的企业，其研发的光敏树脂材料在全球范围的众多领域得到了广泛应用。

图6 光敏树脂材料3D打印件

德国EOS公司研发了高性能材料的3D打印技术装备及工艺，以聚醚醚酮材料（PEEK）为代表，使用这种材料制作的3D打印零件（图7），其抗拉强度达到95MPa，杨氏模量达到4400MPa。作为动态机械元件，其工作温度高达180℃，作为静态机械元件，其工作温度高达240℃，而作为电器元器件，其工作温度更是高达260℃。

图7 3D打印聚醚醚酮复杂管道和多孔结构

英国布里斯托的西英格兰大学的研究人员开发出了一种改进型的3D打印陶瓷技术（图8），可以在1200℃下对其进行烧制，陶瓷对象可迅速完成上釉和装饰。研究人员声称他们的材料会使3D打印陶瓷对象所需的时间、劳动力和能源减少超过30%。

图8 3D打印陶瓷零件

采用碳纤维等高强纤维复合材料等3D打印新材料可使汽车车身减重40%，德国宝马电动汽车i3和其他车厂的碳纤维车身多是采用树脂转移模塑成形技术（RTM）。

图9 碳纤维3D打印复合材料

图10 生物3D打印材料

生物材料是3D打印材料的一个新的发展方向。英国牛津大学的黑根·贝利教授利用3D打印机分层次喷出大量被脂类薄膜包裹的液滴，这些液滴形成网状结构，构成特殊的新材料（图10）。这样打印出来的材料其质地与大脑和脂肪组织相似，可做出类似肌肉样活动的折叠动作，且具备像神经元那样工作的通信网络结构，可用于修复或增强衰竭的器官。

图11 形状记忆功能3D打印材料

具有的形状记忆功能的材料通过3D打印技术制造的零件，能够响应外部环境的变化，直接呈现材料形态的变形自组装（图11）。

图12 超轻型结构材料

美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室和麻省理工学院利用面投影微立体光刻技术（3D打印技术的一种方式），开发了一种超轻型新材料，该种材料承重量可达到自身重量的16万倍，在重量和密度相当情况下，刚度是气凝胶材料的1万倍。预计该种材料将对航空航天、汽车工业等所需采用轻型、高刚度、高强度材料的行业产生重大影响意义。

2.2 金属3D打印材料技术与产业

美国Coriolis复合材料公司和赛峰集团Aircelle公司利用3D打印技术，采用自动铺放工艺，共同研制了碳纤维增强材料和自动铺放工艺制造的推力反向器组件（图13）。这种技术的主要优点是解决了大曲率制造难点和纤维铺放角度偏差问题，从而优化了复合材料结构的设计。全机身主要由复合材料制作的波音787飞机，完成了大型民用飞机由传统的铝合金向碳纤维增强塑料复合材料（CFRP）的转变。

图13 A350XWB的机身板

与非金属3D打印在材料技术还不成熟的初期发展阶段将其应用目标聚焦于快速原型制造不同，金属3D打印的目标在一开始就聚焦于直接制造，因而实现相当于传统金属材料成形技术能够获得的材料性能就是金属3D打印一以贯之的目标。

目前，金属3D打印技术主要包含以激光立体成形（Laser Solid Forming-LSF）技术为代表的同步送粉（送丝）高能束（激光、电子束、电弧等）熔覆成形技术，和以选区激光（电子束）熔化技术（Selective Laser Melting-SLM）为代表的粉末床成形技术两个技术方向（图14）。

图14 两类金属3D打印技术

在金属3D打印制造过程中，高能量密度的载能束在很短的时间内和很小的区域内与金属材料发生交互作用，材料表面局部区域的快速加热和熔池周围冷态的基材的强换热作用，导致激光熔池及其热影响区通常具有极高的冷却速率，呈现典型的近快速凝固和固态相变特征。在这种条件下，材料的凝固和固态相变将会显著偏离平衡，使得材料的固溶极限扩大，晶内微观亚结构显著细化，并可能出现新的亚稳相甚至非晶，从而改善材料的物理，化学和力学性能。同时，基于同步材料送进的金属3D打印技术还赋予了这项技术实现成分柔性化设计的技术可能性，即通过实时控制送进材料（可以是构成合金的各元素粉或中间合金粉）的组成和组分，实现同一构件上均匀材料或多材料的任意复合和梯度结构制造，为实现高性能复杂结构金属零件的材料设计-制备成形-组织性能一体化控制创造了重要的条件。

由于目前金属3D打印技术的首要应用领域是航空航天工业，因此，对于现有材料的3D打印适应性研究主要针对的是航空航天材料，如高性能钛合金、高温合金、超过强度钢以及铝合金。随着3D打印技术向生物医疗、动力、能源等领域的推广，钴合金、铜合金、复合材料、梯度材料、非晶合金的3D打印也逐渐受到了研究者和3D打印企业的重视。总体来说，目前研究最为成熟的适用于3D打印的材料主要是Ti-6Al-4V合金、Inconel718和Inconel625合金，并已制定了相关标准。如美国汽车工程师协会（SAE）在2002年即已针对Ti-6Al-4V合金激光3D打印制品的需求，发布了AMS4999退火态Ti-6Al-4V合金激光沉积制造产品的航空航天材料规范，并于2011年9月进行了对该规范进行了修订，并将规范的使用范围扩展到了退火态Ti-6Al-4V合金直接沉积制造产品，包括电子束3D打印技术和选区激光熔化技术生产的Ti-6Al-4V合金制品，版本号升级为AMS4999A。从2011年开始，ASTM国际标准组织（ASTM International，ASTM）也先后发布了十项增材制造技术标准，其中针对材料的主要有ASTM F2924-14 （采用粉末床选区熔化增材制造Ti-6Al-4V合金零件的标准规范），ASTM F3001-14（采用粉末床选区熔化增材制造Ti-6Al-4V ELI合金零件的标准规范），ASTM F3056-14（采用粉末床选区熔化增材制造UNS N06625镍基合金零件的标准规范），ASTM F3055-14（采用粉末床选区熔化增材制造UNS N07718镍基合金零件的标准规范）等。尽管这些标准还非常粗糙，如标准中的很多指标要求都是由供货商和采购商（supplier and purchaser）协商，但是，这对于材料3D打印技术的发展和应用来说迈出了突破性的一步。除此之外，一些设备制造产商，主要是选区激光熔化设备的制造商，如德国EOS公司，SLM Solution公司，Concept Laser公司等也发布了一些典型材料选区激光熔化制品的数据库，主要涉及AlSi7Mg、AlSi10Mg、AlSi12、6061等铝合金，316L，17-4PH，15-5PH，H13等结构钢和工具钢，Hastelloyx， Inconel939等高温合金，CoCr基医用合金等。

表1给出了采用不同金属3D打印方法所成形的Ti-6Al-4V（TC4）合金的室温力学性能。可以看到，采用这些方法所成形的试件的室温静载力学性能都与锻件性能相当。其中EBF3，EBM和WAAM分别指电子束自由成形制造技术（Electron Beam Freeform Fabrication，EBF3），电子束熔化成形技术（Electron Beam Melting，EBM）以及电弧增材制造（Wire + Arc Additive Manufacture ， WAAM）技术。

美国军方对金属增材制造技术的发展给予了大力的关注和支持，在其直接支持下，美国率先将这一先进技术实用化。自1995年开始，军方先后实施了一系列专门研究计划，资助包括Sandia国家实验室、约翰·霍普金斯大学、宾州大学、MTS公司等在内的数家研究机构开展金属零件的激光立体成形研究。其中AeroMet公司和Optomec公司是专门从事该技术商用化研究的两家美国公司。

美国Sandia国家实验室发展了名为LENS的激光立体成形技术，并针对镍基高温合金、不锈钢、工具钢、钛合金、钨等多种金属材料进行了大量的激光立体成形零件制造研究，所制造的金属零件不仅形状复杂，而且其力学性能比采用锻造技术制造的零件有全面、显著的提高。1997年Sandia国家实验室牵头成立了一个LENS联盟，以促进这一先进技术的工业应用。Optomec Design公司是这个联盟的主要成员之一，通过和Sandia实验室长达四年的合作，该公司获得了LENS技术的商用化许可。图15是该公司研制的750型LENSTM装备和应用该装备成形的钛合金叶片零件。LENSTM装备具有熔池和沉积高度监测和闭环控制系统，通过对成形过程中的热效应和几何效应进行补偿，以此提高零件的成形精度。其成形零件的表面粗糙度达到 4.68mm～11.7mm，但沉积速率较低，一般仅为0.4～4.0 in3/h （5.125～51.25 cm3/h）。

图15 LENSTM装备及其成形的钛合金叶片

成立于1997年的AeroMet公司在短短几年就使钛合金 （Ti-6Al-4V） 激光立体成形技术达到了实用阶段。该公司发展的LasformTM技术是基于宾州大学、约翰·霍普金斯大学和MTS公司共同进行的“钛合金的柔性制造”研究。同时该公司受到军方及包括波音、洛克西德·马丁、格鲁曼公司在内的美国三大军机供应商的资助。其努力的方向是实现高性能大体积钛合金零件的制造，尤其是大型整体带筋加强结构钛合金零件的快速成形。为了实现这一目标，该公司采用三台功率达14kW、18kW和30kW的CO2激光器为光源，以提高金属粉末的激光沉积速率，惰性气氛加工室的最大尺寸达到12ft ' 12ft ' 4ft。AeroMet公司激光立体成形Ti-6Al-4V的沉积速率达到2～15 pounds/h （0.9～6.8 Kg/h）。

AeroMet公司生产的三个Ti-6Al-4V激光立体成形零件已经于2000年获准在实际飞机上使用。这三个零件分别是F-22上的一个接头件、F/Al8-E/F的机翼翼根吊环以及F/A-l8E/F上的一个用于降落的连接杆。其中，F/A-l8E/F的翼根吊环属于飞机结构关键零件，其长度大约900mm，宽300mm，高150mm，是在美国海军研究部 （the Office of Naval Research） 的资助下由AeroMet公司为波音飞机公司制造的。据报道，F-22上的两个全尺寸接头满足疲劳寿命谱的两倍要求，F/A-l8E/F的翼根吊环满足疲劳寿命4倍要求，随后静力加载到225%也不破坏，而降落用的连接杆满足飞行试验要求，寿命超出要求30%。2002年10月该公司获得美国国防部后勤局 （U.S.Defense Logistics Agency） 0.194亿美元的资助，其目的是加速该公司由单纯的技术研究开发到成为军用及民用飞机上通过认证的、性能可靠的激光立体成形钛合金结构件供应商的转变。通过两年的研究，该公司于2004年通过了这项认证。正当波音公司准备大规模应用LasformTM技术的时候，美国的航空锻造技术获得了重要进展，可以比LasformTM技术更为高效和经济地生产飞机大型钛合金结构件。LasformTM技术的应用暂时搁置，AeroMet公司也于2005年关闭，相关技术转让给另一家公司进行进一步的研究。

Sciaky公司则主要在洛克希德-马丁公司和美国宇航局的支持下，发展更为经济和高效的电子束送丝增材制造技术（Electron Beam Freeform Fabrication，EBF3）。从1999年开始，Sciaky公司对钛合金EBF3成形技术进行了系统深入的研究，包括丝材化学成分控制、基础工艺参数、成形的闭环控制、材料质量控制、设计裕度、应力变形控制和质量检测方法等。到2014年，Sciaky公司完成了以F-35飞机的副翼翼梁为典型件的EBF3技术示范性研究（图16）。相对现有制造技术，成本降低一半，交货期提前80%。该技术将以项目驱动的方式完成认证，最终批量应用的挑战主要在质量检测方面。预期F-35飞机将有900个零件采用增材制造技术进行制造。Sciaky公司还应用EBF3技术为美国宇航局制造了直径7英尺、沉积金属重量1600磅的火箭前舱盖（图17）。

图16 Sciaky公司EBF3技术成形的F-35飞机的副翼翼梁

图17 EBF3技术成形的大型火箭前舱盖

美国宇航局下属的多个机构也广泛地应用SLM技术制造空间飞行应用金属零件。2013年，格林研究中心（GRC）和Aerojet Rocketdyne公司合作研制了龙飞船的火箭喷射器，整个系统只有三个增材制造的零件。2014年，马歇尔空间飞行中心（MSFC）则对两个复杂的3D打印火箭喷射器、热气和低温流体阀进行了测试。格林研究中心（GRC）， 兰立研究中心（LaRC）， 和马歇尔空间飞行中心（MSFC）联合研制了增材制造的镍-硅-青铜合金燃烧室和铜燃烧室+铜/镍梯度结构护套与多歧管，并进行了高温火焰测试（图18）。

图18 美国宇航局3D打印镍-硅-青铜合金燃烧室与铜燃烧室+铜/镍梯度结构护套与多歧管

马歇尔空间飞行中心（MSFC）对SLM技术的空间应用进行了深入研究，图19是其SLM成形制造的火箭推进器零件。其研究结论是：SLM技术实现了高价值复杂结构推进器零件的快速制造；SLM技术增大了设计自由度，可制造更复杂的几何结构；设计者可探索轻量化结构、多功能集成和适应特定用途和环境的定制化；SLM技术可减少零件数量、焊缝和机械加工量，从而节约资金和时间。表2给出了图19中所列零件采用SLM增材制造技术与传统制造技术的技术经济性比较。

图19 马歇尔空间飞行中心（MSFC）SLM成形制造的火箭推进器零件

表2 SLM增材制造技术与传统制造技术的技术经济性比较

美国GE公司以很大的力度推进3D打印技术在航空发动机制造上的应用，他们认为航空发动机的所有部件中都有适合于3D打印的零件（图20）。其正在研制中的最先进的LEAP发动机的燃油喷嘴已进入批量3D打印生产，单这一个零件的生产数量就将超过10万件，GE为此建了一个工厂专门进行燃油喷嘴的3D打印生产（图21）。GE在3D打印发展上的重大事件是在2013年收购了Morris公司和AVIO公司。Morris公司拥有超过20台最先进的德国EOS公司的SLM设备，其SLM工艺技术世界领先。AVIO公司具有很强的电子束粉末床增材制造能力，这种技术特别适合于制造室温脆性的金属零件。图22是AVIO公司用电子束粉末床增材制造的TiAl合金航空发动机叶片。

图20 GE梳理的可应用3D打印制造的航空发动机零件

图21 LEAP发动机燃油喷嘴（左）在阿拉巴马州Auburn的专业化3D打印工厂

发达国家的政府和企业界普遍认识到，3D打印不是传统技术的一个替代或补充，它最重要的作用是推动产品结构革命性创新设计。图23是空客公司依托3D打印对A380和A320飞机舱门铰链进行创新设计的范例。传统设计零件局部最大应力已接近材料的极限强度，采用拓扑优化设计方法进行均匀应力设计之后，最大应力减小了一半，相应的3D打印零件只有传统技术制造的零件重量的40%。

图22 AVIO公司用粉末床电子束增材制造的TiAl合金航空发动机叶片

在采用3D打印技术进行新材料研发方面，目前的工作主要来自高校。英国利物浦工程学院激光组的Takeda和Steen等人分别使用混合元素法研究了激光熔覆Fe-Cr-Ni和激光表面处理Fe-Co-Al系合金，并建立了Fe-Co-Al系合金硬度及磨损抗力随成分变化的关系图。美国俄亥俄州立大学的Fraser等人采用混合元素法激光3D打印技术，针对目前在医用植入体领域具有重要应用前景的新型b型Ti-Nb-Zr-Ta系钛合金的成分-组织-性能的关系展开研究。通过考察激光立体成形 Ti-20Nb-xTa （0＜x＜10） 和 Ti-xNb-10Zr-5Ta （20＜x＜ 35）两类成分梯度钛合金在不同热处理制度下的组织，显微硬度H和弹性模量E值，分析了不同元素含量以及热处理制度对医用钛合金的组织和力学性能的影响，建立了成分、微观组织以及力学性能对应关系的数据库。在该数据库的基础上，一方面可以通过训练和测试模糊控制模型实现对相关不同成分钛合金力学性能的预测，反过来通过该预测也可以反馈优化合金成分及组织。图2为部分实验及模型预测结果的对比，二者吻合较好。这种分析建模的方法对于研究新型合金非常有效。

图23 A380和A320飞机舱门铰链，左：传统设计，右：新设计

将材料与设备捆绑销售是国外3D打印设备厂商的一个重要销售策略。德国EOS公司是全世界制造和销售SLM设备最多的厂商，总计向全世界的客户销售了600多台SLM设备，远远超过了其他所有厂商SLM设备销售量的总和。只有在从EOS公司购买合金粉末的情况下，EOS公司才保证其设备可以生产出合格的金属零件。

3 材料3D 打印技术产业的国内发展现状及趋势

3D打印技术自1988年诞生后，我国自上世纪90年代初开始迅速投入了这一科学技术前沿的研究。在3D打印技术研发的过程中，以大学和研究所为主的一批科研单位也开展了3D打印材料的研究工作，研发出了一批专用3D打印材料。近年来，随着3D打印技术的迅速升温，一些企业也参与了对3D打印材料的研发工作。

3.1 非金属3D打印材料技术与产业

我国最早开展非金属3D打印研究的是华中科技大学、清华大学和西安交通大学，最早的专业3D打印企业是北京隆源公司。

陕西恒通智能机器有限公司依托西安交通大学，形成了9种型号的光敏树脂3D打印材料（图25），并配合其研发的SPS系列光固化3D打印装备进行产业化工作，在各地建设了地区服务中心、地区示范点、地区推广基地，目前已在宁波、慈溪、河南、苏州、青岛、河北、广东等地成功建立了示范中心，向行业企业进行工程化技术服务。

图24 Ti-xNb-10Zr-5Ta合金硬度和弹性模量的模糊控制模型预测结果与实验结果的对比

珠海正邦科技有限公司利用其在UV胶方面的研发优势，成功进行3D打印光敏树脂材料的研发工作，也是国内为数不多的专门从事3D打印材料生产厂商之一。国内的一些企业及高校也进行小批量的生产及研究，包括武汉纺织大学、华中科技大学、珠海西通电子、桑D科技等。

北京的太尔时代、闪铸科技、珠海西通电子等桌面式3D打印厂商配合其设备的销售，进行了塑料丝材与设备适配性研究工作。图26为使用塑料丝材打印出来的零件。

图26 PLA及ABS塑料3D打印零件

在高分子粉末材料方面，湖南华曙高科有限责任公司、华中科技大学及北京隆源自动成形有限公司进行了尼龙粉末、覆膜砂（如图27所示）材料的产业化开发，并已在汽车缸体，缸盖等复杂零件的铸造方面进行了成功应用。同时，进行了玻璃微珠/尼龙粉末复合材料、碳纤维/尼龙粉末材料的尼龙复合材料研发工作，形成了一批材料型号，但是，目前产业发展的方式还是以配合设备销售为主。

图25 西安交通大学光敏树脂材料3D打印件图27 尼龙及覆膜砂3D打印零件

西安交通大学进行了3D陶瓷材料的研究工作，如陶瓷瓷浆的挤出成型、陶瓷浆料的光固化成型及陶瓷粉末粘结成型，并使用3D打印技术成功进行了陶瓷零件的制备，如图28所示。

图28 陶瓷浆料光固化成型

3D打印材料按形态可分为片、丝、浆、粉四类，华中科技大学材料科学与工程学院史玉升团队在这四个方面均做了一定的研究工作，有些材料已产业化。

片材主要用于分层实体制造技术（Laminated Object Manufacturing， LOM）。该技术是以薄片材料作为原料，激光或者刀片在计算机的控制下将薄片材料一次切成零件的各层形状并叠加起来成为实体件，层与层之间的粘接靠加热和加压来实现。片材的材料可以是：纸、陶瓷、塑料、金属和复合材料。图29是史玉升团队研发的纸片材及其3D打印装备与制件。

图29 史玉升团队研发的纸片材及其3D打印装备与制件

丝材主要有塑料、金属、陶瓷等。其中塑料丝主要用于熔融沉积制造（FDM-Fused Deposition Modeling Technology）3D打印技术，它利用喷头将ABS、PC等热塑性塑料丝材加热至熔融态，并在控制系统的控制下，按一定扫描路径逐层自粘结成形，然后逐层成形得到所需零件。熔融沉积制造3D打印技术一般采用低熔点的丝状材料，如蜡丝或ABS塑料丝，他们不用高能量的激光作为热源，只需在喷头内以电加热的方式即可将丝材加热到熔融状态。然后在计算机的控制下，喷头底部的喷嘴将熔融的材料以一定的压力挤出。史玉升团队在塑料和金属丝材方面已有商品化产品。

浆材主要用于光固化成形（Stereo-Lithography Apparatus， SLA）3D打印技术。史玉升团队研发了系列光固化材料及其3D打印装备并商品化，其应用实例见图30。

图30 史玉升团队研发的SLA装备、成形材料及其制件

在粉材方面，史玉升团队主要研发用于激光选区烧结3D打印的粉末，其高分子、陶瓷、砂及其复合粉末已商品化，模具钢等金属粉末正在和武钢联合研发并产业化。

3.2 金属3D打印材料技术与产业

西北工业大学于1995年在国内首先提出激光立体成形的技术构思，致力于把增材成形原理与送粉式激光熔覆相结合，形成一种可以获得具有锻件力学性能的复杂结构金属零件的快速自由成形技术。1997年，“金属粉材激光立体成形的熔凝组织与性能研究”获得航空科学基金重点项目资助，是中国金属增材制造第一个正式立项的科研项目。2001年，“多材料任意复合梯度结构材料及其近终成形”项目获得国家863计划资助，其成果于2005年应用于我国研制的首台推重比10航空发动机轴承后机匣制造（图31），为该发动机按时装机试车做出了关键贡献。该零件下部为In961合金铸件，上部为GH4169镍基高温合金激光立体成形件，是以铸件为基材，异种材质增材制造的首个应用案例。

西北工业大学也是首先实现激光立体成形装备商业化销售的单位，图32是2006年销售给航天306所的LSF-III型激光成形装备及其工作照片。

图31 激光立体成形的航空发动机零件

2011年7月，依托西北工业大学增材制造技术成立了西安铂力特激光成形技术有限公司，该公司完成的首个重要科研任务，是为中国商飞激光增材制造大型钛合金机翼梁（图33）。经过中国商飞进行的材料性能测试、结构性能测试、零件取样性能测试和大部件破坏性测试所有环节的力学性能测试，完全满足设计要求，包括疲劳性能在内的综合性能优于锻件，强度一致性优于2%，远远高于商飞5%的指标要求。铂力特公司于2012年开始发展SLM技术与设备，迅速在航空航天工业中获得广泛应用，图34是铂力特公司SLM 成形件和在2014年珠海航展上推出的首款SLM装备。图35是铂力特公司的SLM成形件。到2014年底，成立仅3年半的铂力特公司已经销售收入过亿元。

图32 LSF-III型激光成形装备

图33 西北工业大学采用LSF技术制造的C919大型客机中央翼肋上、下缘条

图34 西安铂力特公司的SLM设备

图35 西安铂力特公司的SLM成形件

北京航空航天大学是另一所在金属增材制造上具有重大国际影响的中国大学，重点研究飞机大型钛合金、超高强度钢结构件的送粉式激光3D打印技术，为我国军用飞机大型钛合金结构件的激光增材制造做了大量研发工作，并已经在多个型号中获得应用（图36），其“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”获得2012年度国家技术发明一等奖。

图36 北京航空航天大学激光增材制造的飞机大型钛合金加强框

北京航空工艺研究所参与了西北工业大学1997年的金属增材制造航空科学基金重点项目，也是国内最早一批开展金属增材制造研究的单位。其优势技术是大功率电子束丝材增材制造技术，即美国Sciaky公司的EBF3技术。该所近年也开展了激光SLM成形技术研究。

我国最早开展激光SLM技术研究的单位有华南理工大学和华中科技大学，两所大学都自行研发了SLM装备。华南理工大学杨永强团队专注于SLM技术的医学植入体应用，华中科技大学曾晓雁团队则首先开拓了SLM技术的航天应用。

西北有色金属研究院是我国电子束粉末床增材成形技术研究的主要单位，拥有两台先进的Arcam公司电子束粉末床增材成形设备。该院也开展了3D打印金属粉末制备研究。

表3分别给出了LSF制造典型钛合金、镍基高温合金及钢的室温拉伸力学性能。其中Ti-6Al-4V （TC4）钛合金、Inconel718镍基高温合金以及316L不锈钢，作为目前应用最为广泛的金属合金，研究相比其他合金更为成熟，无论是拉伸强度、屈服强度还是延伸率，普遍满足锻件标准。尤其是对于a 钛合金（如TA15）和 a+b 钛合金（如Ti-6Al-4V），由于 b®a 相变的体积变化效应小，相变应力值低，且因体心立方 b 相自扩散系数高，b®a 相变迅速，使得在恰当的工艺条件下，可利用往复熔覆沉积对已熔覆沉积层进行充分的退火和回火热处理，实现成形和热处理一体化，使得这些钛合金在沉积态的情况下也可以满足锻件指标。而对于镍基高温合金和一些高强钢来说，由于合金化程度较高，凝固过程中容易在枝晶间产生有害的低熔元素、化合物相或共晶偏析，同时在激光往复熔覆沉积的快速加热和冷却导致的应力作用下，若工艺控制不当，极易产生热裂等冶金缺陷，导致力学性能的降低。如对于Rene88DT粉末冶金高温合金，尽管其LSF构件的室温力学性能已经十分接近粉末冶金（加热等静压）的技术标准，但仍然存在一定差距，而对于300M超高强度钢，尽管拉伸强度和屈服强度已基本满足锻件标准，但延伸率相比锻件还有一定差距。

表3 LSF典型金属合金的室温力学性能

表4给出了SLM成形的Ti-6Al-4V钛合金和Inconel718镍基高温合金的室温拉伸力学性能。与LSF构件相似，SLM成形的Ti-6Al-4V钛合金和Inconel718镍基高温合金的拉伸强度、屈服强度和延伸率同样满足锻件标准。另外，由于SLM成形过程中熔池的冷却速率要高于LSF过程，同时沉积态的晶粒尺寸要小于LSF构件的晶粒尺寸，这使得沉积态SLM成形件的拉伸强度、屈服强度要高于沉积态LSF构件，但是，经过热处理后，SLM成形件和LSF构件的力学性能基本相当。需要指出的是，由于SLM成形件难以完全消除孔洞，使得SLM成形件的延伸率要比LSF构件稍低，这也将导致SLM成形件的疲劳性能要明显低于LSF构件及锻件。而通常材料的静载拉伸强度对微小缺陷不敏感，因此，SLM成形件中的微小孔洞并未对SLM成形件的静载拉伸强度产生明显影响。

在新型合金研发方面，西北工业大学围绕最广泛应用的Ti-6Al-4V及其所属合金系Ti-Al-V系合金，结合激光立体成形Ti-xAl-yV合金硬度测试、神经网络模型预测以及典型成分合金室温拉伸性能测试，获得Ti-xAl-yV合金成分-硬度-强度的关系，实现激光立体成形Ti-xAl-yV（x≤10，y≤25）合金的强度预测，并开发了一种综合力学性能与Ti-6Al-4V合金锻件相当的新型激光3D打印专用钛合金TX。表5给出了LSF制备成形TX合金试件的力学性能。可以看到，TX合金的力学性能在沉积态下与Ti-6Al-4V（TC4）合金的锻件性能具有良好的匹配。目前，西北工业大学还正在利用激光3D打印技术进一步开发综合力学性能与TC4和TA15合金锻件相当的新型激光3D打印专用钛合金，以及与Inconel718（GH4169）合金锻件、Rene88DT粉末冶金件力学性能相当的新型激光3D打印专用镍基高温合金。

表5 激光立体成形3D打印专用TX钛合金的室温力学性能

4 发展我国材料3D 打印技术产业的主要任务及存在的主要问题

上世纪90年代初，我国以大学和研究所为主的一批科研单位开展了3D打印技术及材料的研发工作，主要以光敏树脂材料、高分子粉体材料、金属材料为主。与发达国家相比还有一定差距，主要体现在以下两个方面：

1） 材料的基础研究薄弱，材料的性能、种类无法满足需求

非金属3D打印材料有别于传统工业所用材料，其对于材料的形态、性能都有严格的要求。随着3D打印技术应用领域的不断扩大，对于3D打印材料的性能和普适性提出了更高的要求。目前，对于3D打印用非金属材料主要为光敏树脂材料、高分子粉体材料、陶瓷材料、塑料丝材等几类产品，对于这些材料的制备技术、基础理论及成形微观机理研究还没有广泛开展，制备材料的性能无法满足实际应用需求，不得不从国外采购，而这进一步限制了3D打印材料产业化的发展。

金属3D打印材料方面，全世界目前都是采用现有的合金牌号体系。虽然原则上所有具有可焊性的金属材料都适合3D打印，但进行过系统深入的工艺研究的材料种类却十分有限，导致可以进行3D打印工业应用的合金非常少，这是限制金属3D打印广泛工业应用的瓶颈之一。要真正发挥金属增材制造的优势，非常有必要开发金属增材制造专用合金，这方面还只有极少的探索性研究。

2） 材料的成本较高，产业化处于起步阶段

与传统材料产业相比，3D打印材料产业规模较小，且具有一定特殊性，难以实现规模化生产。同时，受到材料研发周期长、材料配方技术难度大等问题影响，造成3D打印原材料成本居高不下。以光敏树脂材料为例，目前打印零件的价格仍然以克为单位，尼龙等粉末高分子材料的价格也从每公斤几百元到几千元不等。因此，国内专业从事3D打印材料的企业为数不多，大多数由设备制造商直接提供。送粉式增材制造所需的金属粗粉国内已可提供，但成分的批次稳定性还需要提高。SLM技术所需的金属细粉目前还依赖进口。

发展我国材料3D 打印技术产业的主要任务有：

1）加强3D打印材料的基础研究，包括3D打印材料的成分设计和形态设计，3D打印材料的工艺特性，材料与载能束的作用规律，3D打印件的材料组织形成规律与控制方法等。

表4 SLM成形典型金属合金SLM的室温力学性能

2）开发系列化的3D打印专用材料，包括各种非金属材料和金属合金牌号系列，并形成产业化生产能力。

3）建立完善的3D打印零件的材料缺陷检测方法与质量控制标准。

5 推动我国材料3D 打印技术产业发展的对策和建议

世界3D打印技术发展的最先进国家当推美国和德国：美国领先3D打印的原始创新和产业发展，占据国际3D打印产业市场的三分之二；德国领先3D打印的技术发展，在主要的3D打印技术与装备水平上全球领先。推动我国材料3D 打印技术产业发展应该认真地研究和借鉴美国和德国的成功经验。

美国在3D打印原始创新和产业化发展上的优势，主要得益于科技界和产业界强烈的创新意识和强大的商业运作能力。GE在全球首先建设专业化工厂，大批量3D打印生产航空发动机零件，并以此显著提升了其正在研制的最先进航空发动机的性能。美国宇航局已经制订了直到2040年的空间3D打印技术发展的详细计划。全球3家主要的3D打印上市公司都在美国，其中前两位（3D System和Stratasys公司）都是经过了约50次商业并购后形成目前的约50亿美元市值规模的全球最大3D打印龙头公司。但美国人仍然认识到他们的产业技术创新体系不如德国，他们缺少像德国弗劳恩霍夫研究院那样一个科技、产业和教育密切协同的创新体系。美国人的创新意识和创新能力非常突出，但有很多的发明创造在其他国家实现了产业化。美国于2012年8月建立了“国家增材制造创新中心”，并于2013年8月更名为“America Makes”（美国制造），体现其主要宗旨是实现“美国发明、美国制造”。美国“国家增材制造创新中心”是一个针对产业应用的3D打印共性技术发展与转化的国家平台。美国3D打印领域的科技、教育、产业和社会团体的主要力量都汇集到了“国家增材制造创新中心”中，形成了一股强大的合力，为3D打印技术发展和产业化应用，包括人力培训和教育搭建了一个高水平的国家平台。可以预计，吸收了德国技术创新体系后的美国，其强大的基础研究和创新能力将更加有效地支撑3D打印产业发展。

德国弗劳恩霍夫研究院是一个面向应用技术研究的国家研究院，其经费来源由国家、工业部门和其他方面各三分之一构成。一个弗劳恩霍夫研究所的国家拨款的多少，直接由其从工业界得到研究经费的数量决定。德国领先于全球的金属3D打印工艺与装备技术，主要就是由位于亚琛的弗劳恩霍夫激光研究所研发的。但德国弗劳恩霍夫研究院不能直接将其研发的技术进行商业化应用，而是必须通过德国公司来商业化应用。其从产业转化所得收入再用于新技术研发。弗劳恩霍夫研究院的骨干研究人员，大多也同时是大学教授，他们的很多研究生就从事研究所的课题研究。这就使弗劳恩霍夫研究所不但可以从大学的基础研究中吸收营养，同时也为企业培养了熟悉市场需求、具有技术开发能力的人才。这种科技教育与产业有效协同的技术创新体系，与严谨扎实的德国精神相结合，是德国技术领先的根本原因。然而，德国在基础研究和商业运作方面比美国有明显差距，这是德国在原始创新和产业化发展方面落后于美国的主要原因。

中国发展3D打印技术的起步时间比欧美仅晚3～5年，如果仅就个别研究单位之间进行比较，中国几个持续二十年3D打印研究的团队并不比国际上任何单位的水平更差，更适当的评价是各有千秋。但从国家整体比较，我们的原始创新不多，技术链不够完整，产业发展（包括3D打印技术本身及工业应用两方面的产业）与美国和德国相比就差距显著了。产生这种差距的主要原因，是我们还没有形成像美国和德国那样有效的技术创新体系。目前很多地方政府都很热衷于支持3D打印，工业界和社会各个方面也都对3D打印充满热情。然而，我们各方面的热情大多处于跟风的肤浅层面和想在热点领域快出亮点的惯性思维。在这种情况下很多地方盲目快上3D打印，可能又会重蹈光伏和风能发展的覆辙。因此，尽快形成一个像美国和德国那样有效的国家技术创新体系，是我国3D打印技术与产业健康发展并尽快赶超美国和德国的关键。

中国的3D打印国家技术创新体系，应是一个3D打印的产业、科研与教育三个方面协同发展的系统工程，它包括以下六个层次：

1）工业部门提出明确的应用需求并成为技术研发投入的主体。这要求工业界对3D打印的技术特性有准确清晰的认识，最要紧的是认识到3D打印不是传统制造技术的替代或补充，而是开启产品创新设计和功能提升的全新途径。国外的许多大企业都已形成自己详细的3D打印技术与应用发展规划，如GE、波音、洛克希德-马丁、空客、美国宇航局等，而国内企业大多还处在个案应用探索阶段。

2）大规模的3D打印技术产业及所属的企业技术研究机构。竞争性的应用技术应该主要由企业自身发展，3D打印的高新技术特性要求3D打印企业把技术研发放在十分重要的位置。美国3D System公司在18年的时间里累计投入了1.8亿美元的自有资金进行3D打印的材料和技术开发，平均每年1千万美元的研究经费。没有这样的投入就不可能有领先的技术。

3）面向产业共性技术研究、标准制定和人才培养的“国家增材制造协同创新中心”。美国和德国这样的机构都是由政府、企业和社会组织共同资助的，研究成果由所有参与单位共享。这个机构也应负责国家3D打印技术和产业发展的顶层设计。

4）支撑产业应用技术的基础研究和高层次人才培养的研究型大学科教系统，以及以职业教育为主的普通高校和专科学校的工程师、技术人员培养体系。3D打印是一个必将在全社会普及和长远应用的基础技术，在大学和高等专科学校建设相关的新学科和实验室是迫在眉睫的任务。

5）面向中小学和普通高校的基础教育和创新意识培养体系。3D打印是创新意识和能力培养的绝佳技术手段，在青少年的基础教育中普及3D打印是为建设创新型国家培养大批创新型人才的重要途径。

6）发展3D打印产业所需的创新生态环境建设，包括创新要素的集成、创新的法制环境和文化环境建设。这是政府责无旁贷的任务。

建成这样一个系统工程，才能实现“3D打印中国梦”（世界增材制造的科技强国、产业强国、服务强国和人才强国），与美国和欧洲一争高下。我们的项目安排和平台建设计划，都应当围绕着这个系统工程的框架来展开。

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.03.007