3D打�。ㄔ霾闹圃欤┘夹g目前已經(jīng)成為全球最關注的新興技術之一，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3D打印技術的研發(fā)及應用。歐盟和美國引領著世界3D打印技術的發(fā)展，并在該技術的應用和推廣領域獲得先機。美國將“3D打印”研發(fā)中心作為新建的15個國家制造創(chuàng)新中心之首，政府直接投資3000萬美元進行支持；近日，美國國家航空航天局和洛克達因公司共同完成了3D打印火箭發(fā)動機噴射器的測試，工時和成本驟降，全尺寸3D打印零件將是未來美國開發(fā)的重點方向；歐洲也十分重視對3D打印技術的研發(fā)應用，英國《經(jīng)濟學人》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打印帶入金屬時代”的計劃，旨在為宇宙飛船、飛機和聚變項目制造零部件，最終的目標是采用3D打印技術實現(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”列入“德國光子學研究”；日本著力推動3D打印產(chǎn)業(yè)鏈后端，不斷嘗試將本國已取得的技術成果在工業(yè)中進行推廣和應用；南非政府將目光投向大型3D打印機設備的研制和開發(fā)，將核心激光設備研制與扶持激光技術協(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3D打印技術產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心和科技園。
3D打印飛機鈦合金零部件
全球3D打印產(chǎn)業(yè)的權威研究機構(gòu)——美國沃勒斯公司發(fā)布的全球3D打印產(chǎn)業(yè)報告顯示，2012年全球3D打印市場總收入為22億美元，其中包括設備和服務。美國的產(chǎn)業(yè)收入一馬當先，大約占全球總收入的60%，傳統(tǒng)的制造業(yè)強國——德國和日本比較重視制造技術的革新，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)美國消費者電子協(xié)會最新發(fā)布的年度報告顯示，3D打印服務的社會需求量將逐年增長，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打印最關鍵的不是機械制造，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)動下，自動按設計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，即使打印一個手機大小的產(chǎn)品，整個耗材價格至少要150元以上�；诖耍磥�3D打印產(chǎn)業(yè)需要不懈追求的目標仍將是：“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”、“實現(xiàn)更高的制備工藝精度和更廉的原材料價格”以及“將3D打印的直接制造技術應用到更多更廣的領域”。
3D打印技術包括“快速原型制造技術”和“金屬構(gòu)件直接制造技術”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”范疇。其實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”，而只是實現(xiàn)快速原型制造的路徑之一。另外一個分支是高性能的金屬零件直接制造，這一領域可謂意義重大，但難度也更大，對材料和設備的要求極其苛刻，是3D打印技術的制高點。
（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，近年來應用不斷拓展，發(fā)展極為迅速，已成為工業(yè)模型設計與制作中的一項關鍵技術。最早主要是做樹脂、石蠟、紙等原型件，用途集中在新產(chǎn)品的快速設計方面，通過該技術可以簡便、快速地實現(xiàn)設計的優(yōu)化和產(chǎn)品的評估，由于其“所見即所造”的特點，能夠省去大量生產(chǎn)準備環(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，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備工藝廠商針對各自設備特點定制的，優(yōu)點是與專屬設備的適用性好、研制難度相對小，缺點是材料的產(chǎn)業(yè)通用性差、產(chǎn)品成型過程的精度有待提高、產(chǎn)品成型后的強度較低�？梢�，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)件直接制造技術用材料
高性能金屬構(gòu)件直接制造技術起步于20世紀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，使粉末材料進行選區(qū)熔化，冷卻結(jié)晶后形成嚴格按設計制造的堆積層，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)推動相關工業(yè)發(fā)展的重點方向，也將是一項關鍵技術。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造成鈦合金體積收縮，造成巨大的材料熱應力，內(nèi)應力對小型構(gòu)件影響不大，但隨著零件尺寸的增加，成型變得非常困難，即使能夠成型也會由于大的內(nèi)應力嚴重影響材料強度。第二個難題是材料冷卻結(jié)晶過程復雜，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性能不佳等問題，最終結(jié)果就是關鍵構(gòu)件沒辦法獲得實際應用。
高性能金屬構(gòu)件直接制造技術自問世伊始，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注。歐美等國已經(jīng)比較成熟地實現(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的攻關方向。我國北京航空航天大學團隊在這一領域走在了世界前列，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，其成果已應用于多種型號飛機的研制中。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，應用效果最佳。
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、細粉收得率高等優(yōu)點，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，并實現(xiàn)規(guī)�；a(chǎn)；而國內(nèi)在霧化設備及粉末制備工藝方面，主要為移植和仿研，高性能制粉設備仍以進口為主，在水冷銅坩堝制備技術、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。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、熱誘導孔洞、原始粉末顆粒邊界物。對于3D打印技術來說，粉體材料中夾雜物和熱誘導孔洞都會對成型部件產(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打印技術在我國還處于發(fā)展初期，產(chǎn)業(yè)體量相對較小。同時，中國制造業(yè)各個環(huán)節(jié)對3D打印技術的認識還存在很多不足。從實際發(fā)展情況來看，截至目前3D打印并沒有實現(xiàn)成熟的產(chǎn)業(yè)化，從設備到產(chǎn)品再到服務仍停留在“高級玩具”階段。但是，國內(nèi)從政府到企業(yè)，普遍認可3D打印技術的發(fā)展前景，政府和社會普遍關注未來3D打印技術將對我國現(xiàn)有的生產(chǎn)、經(jīng)濟、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打印技術的需求并非集中在設備上，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的需求上。工業(yè)客戶是我國采購3D打印設備的主力軍，他們所購買的設備主要用于航空、航天、電子產(chǎn)品、交通工具、設計、醫(yī)療、文化創(chuàng)意等行業(yè)。目前，3D打印機在中國企業(yè)的裝機量約500臺，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，隨著設備工藝的普及和進步，規(guī)模還將迅速增長；同時3D打印相關委托加工服務非�；鸨嗉掖�3D打印設備的公司對激光燒結(jié)工藝和設備應用已非常成熟，可對外進行加工服務，由于單臺設備價格一般在500萬元以上，市場接受度不高，但代理加工服務卻非�；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，尚未實現(xiàn)第三方供應通用材料的模式，導致材料的成本非常高。同時，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)通用性更強的材料是技術提升的關鍵。解決好材料的性能和成本問題，將更好地推動我國的快速成型技術的發(fā)展。目前，我國3D打印快速成型技術使用的材料大多需從國外進口，或設備廠家自己投入巨大精力和經(jīng)費研制，價格昂貴，致使生產(chǎn)成本提高，而國內(nèi)該機器使用的材料其強度、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備還主要依靠進口。而國外常將原材料與設備捆綁銷售，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)品售價一般為300 ～400元/ k g，而進口粉末售價常在800元/kg以上。
國內(nèi)尚未針對3D打印技術用粉末開展相應的研究。如粉末成分、夾雜、物理性能對3D打印相關技術的影響及適應性。因此針對低氧含量、細粒徑粉末的使用要求，尚需開展鈦及鈦合金粉末成分設計、細粒徑粉末氣霧化制粉技術、粉末特性對制品性能的影響等研究工作。國內(nèi)受制粉技術所限，目前細粒徑粉末制備困難，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，導致制品中氧化物夾雜含量高、致密性差、強度低、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現(xiàn)狀
北京市科學技術委員會組織成立了“北京數(shù)字化制造產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新聯(lián)盟”，匯聚北京3D打印相關優(yōu)勢單位，如中航天地激光科技有限公司、清華大學、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、北京國科世紀激光技術有限公司、中航工業(yè)北京航空制造工程研究所、機械科學研究總院先進制造中心、北京印刷學院等，從材料、設備、運行模式等方面推進相關產(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）有限公司等機構(gòu)生產(chǎn)的粉末材料是針對粉末冶金或釬焊料用途設計研制的，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計研制。近年來，隨著3D打印技術的發(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，擁有國際先進的真空氣霧化設備（德國ALD公司和萊寶公司生產(chǎn)）以及多套國內(nèi)先進的超高壓水霧化制粉設備。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、低氧含量粉末研制方面擁有豐富的技術沉淀、先進的生產(chǎn)實驗設備和大量的項目研發(fā)經(jīng)驗，相關技術成果獲國家、省部級獎20余項，并已為多種型號航空航天部件提供優(yōu)質(zhì)的合金粉末。目前，該院正在重點進行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)用義齒等方面的應用試驗；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，進而針對其對3D打印產(chǎn)品最終性能的影響進行了研究；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性研究。實現(xiàn)細粒徑、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打印技術正處于快速發(fā)展時期，除了政府高度重視外，還在航空制造應用領域獲得了重大突破。雖然我國在高性能金屬構(gòu)件直接制造方面的技術處于國際領先地位，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，筆者預計我國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：
1. 高性能的金屬零件直接制造用
材料將成為技術制高點北京航空航天大學大學王華明教授指出，高性能金屬構(gòu)件直接制造技術將是該領域未來的技術制高點。3D打印有明確的細分市場，與快速原型制造技術相比，金屬構(gòu)件激光直接制造技術對于我國制造產(chǎn)業(yè)的推動作用更富變革性。高性能難加工的金屬大型復雜構(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，節(jié)省生產(chǎn)時間；另一方面，高性能金屬構(gòu)件直接制造技術可以制造出用傳統(tǒng)制造方法無法獲得的構(gòu)件形狀，力學性能也較好，還能實現(xiàn)多材料復合成型。與此同時，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發(fā)展的基礎與保障。只有提升材料工藝，利用3D打印技術生產(chǎn)高性能、難加工的大型復雜整體構(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打印技術的重要發(fā)展方向和主要動力之一，它不僅可以幫助解決我國一些工業(yè)大型設備構(gòu)件直接制造的技術瓶頸問題，而且也將是我國未來搶占3D打印增材制造技術戰(zhàn)略制高點的重要手段。
2.3D 打印將用于新材料研制
增材制造過程實際上是在微米層面、或者分子層合成一些新的材料，這樣的新材料可以實現(xiàn)把不同的材料復合在一起，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：在制造一個產(chǎn)品時，某個地方要求材料強度高，某個地方要求韌性好，某個地方又要求耐腐蝕或者耐磨，用“3D打印”方式合成的新材料，能夠同時滿足這些要求。新材料將應用于3D打印技術中，同時3D打印采用不同材料復合可能制造出新材料，二者將是相互促進的過程。
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行打印，并且不同的打印機對應不同的打印材料，未來的發(fā)展趨勢是實現(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于不同的打印設備；另一方面，打印設備對材料的選擇性也更大，可實現(xiàn)多種材料同時打印。一但設備的兼容性增強，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北京市重點實驗室）
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3D打印技術的研發(fā)及應用。歐盟和美國引領著世界3D打印技術的發(fā)展，并在該技術的應用和推廣領域獲得先機。美國將“3D打印”研發(fā)中心作為新建的15個國家制造創(chuàng)新中心之首，政府直接投資3000萬美元進行支持；近日，美國國家航空航天局和洛克達因公司共同完成了3D打印火箭發(fā)動機噴射器的測試，工時和成本驟降，全尺寸3D打印零件將是未來美國開發(fā)的重點方向；歐洲也十分重視對3D打印技術的研發(fā)應用，英國《經(jīng)濟學人》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打印帶入金屬時代”的計劃，旨在為宇宙飛船、飛機和聚變項目制造零部件，最終的目標是采用3D打印技術實現(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”列入“德國光子學研究”；日本著力推動3D打印產(chǎn)業(yè)鏈后端，不斷嘗試將本國已取得的技術成果在工業(yè)中進行推廣和應用；南非政府將目光投向大型3D打印機設備的研制和開發(fā)，將核心激光設備研制與扶持激光技術協(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3D打印技術產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心和科技園。
3D打印飛機鈦合金零部件
全球3D打印產(chǎn)業(yè)的權威研究機構(gòu)——美國沃勒斯公司發(fā)布的全球3D打印產(chǎn)業(yè)報告顯示，2012年全球3D打印市場總收入為22億美元，其中包括設備和服務。美國的產(chǎn)業(yè)收入一馬當先，大約占全球總收入的60%，傳統(tǒng)的制造業(yè)強國——德國和日本比較重視制造技術的革新，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)美國消費者電子協(xié)會最新發(fā)布的年度報告顯示，3D打印服務的社會需求量將逐年增長，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打印最關鍵的不是機械制造，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)動下，自動按設計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，即使打印一個手機大小的產(chǎn)品，整個耗材價格至少要150元以上�；诖耍磥�3D打印產(chǎn)業(yè)需要不懈追求的目標仍將是：“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”、“實現(xiàn)更高的制備工藝精度和更廉的原材料價格”以及“將3D打印的直接制造技術應用到更多更廣的領域”。
3D打印技術包括“快速原型制造技術”和“金屬構(gòu)件直接制造技術”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”范疇。其實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”，而只是實現(xiàn)快速原型制造的路徑之一。另外一個分支是高性能的金屬零件直接制造，這一領域可謂意義重大，但難度也更大，對材料和設備的要求極其苛刻，是3D打印技術的制高點。
（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，近年來應用不斷拓展，發(fā)展極為迅速，已成為工業(yè)模型設計與制作中的一項關鍵技術。最早主要是做樹脂、石蠟、紙等原型件，用途集中在新產(chǎn)品的快速設計方面，通過該技術可以簡便、快速地實現(xiàn)設計的優(yōu)化和產(chǎn)品的評估，由于其“所見即所造”的特點，能夠省去大量生產(chǎn)準備環(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，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備工藝廠商針對各自設備特點定制的，優(yōu)點是與專屬設備的適用性好、研制難度相對小，缺點是材料的產(chǎn)業(yè)通用性差、產(chǎn)品成型過程的精度有待提高、產(chǎn)品成型后的強度較低�？梢�，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)件直接制造技術用材料
高性能金屬構(gòu)件直接制造技術起步于20世紀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，使粉末材料進行選區(qū)熔化，冷卻結(jié)晶后形成嚴格按設計制造的堆積層，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)推動相關工業(yè)發(fā)展的重點方向，也將是一項關鍵技術。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造成鈦合金體積收縮，造成巨大的材料熱應力，內(nèi)應力對小型構(gòu)件影響不大，但隨著零件尺寸的增加，成型變得非常困難，即使能夠成型也會由于大的內(nèi)應力嚴重影響材料強度。第二個難題是材料冷卻結(jié)晶過程復雜，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性能不佳等問題，最終結(jié)果就是關鍵構(gòu)件沒辦法獲得實際應用。
高性能金屬構(gòu)件直接制造技術自問世伊始，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注。歐美等國已經(jīng)比較成熟地實現(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的攻關方向。我國北京航空航天大學團隊在這一領域走在了世界前列，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，其成果已應用于多種型號飛機的研制中。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，應用效果最佳。
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、細粉收得率高等優(yōu)點，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，并實現(xiàn)規(guī)�；a(chǎn)；而國內(nèi)在霧化設備及粉末制備工藝方面，主要為移植和仿研，高性能制粉設備仍以進口為主，在水冷銅坩堝制備技術、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。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、熱誘導孔洞、原始粉末顆粒邊界物。對于3D打印技術來說，粉體材料中夾雜物和熱誘導孔洞都會對成型部件產(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打印技術在我國還處于發(fā)展初期，產(chǎn)業(yè)體量相對較小。同時，中國制造業(yè)各個環(huán)節(jié)對3D打印技術的認識還存在很多不足。從實際發(fā)展情況來看，截至目前3D打印并沒有實現(xiàn)成熟的產(chǎn)業(yè)化，從設備到產(chǎn)品再到服務仍停留在“高級玩具”階段。但是，國內(nèi)從政府到企業(yè)，普遍認可3D打印技術的發(fā)展前景，政府和社會普遍關注未來3D打印技術將對我國現(xiàn)有的生產(chǎn)、經(jīng)濟、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打印技術的需求并非集中在設備上，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的需求上。工業(yè)客戶是我國采購3D打印設備的主力軍，他們所購買的設備主要用于航空、航天、電子產(chǎn)品、交通工具、設計、醫(yī)療、文化創(chuàng)意等行業(yè)。目前，3D打印機在中國企業(yè)的裝機量約500臺，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，隨著設備工藝的普及和進步，規(guī)模還將迅速增長；同時3D打印相關委托加工服務非�；鸨嗉掖�3D打印設備的公司對激光燒結(jié)工藝和設備應用已非常成熟，可對外進行加工服務，由于單臺設備價格一般在500萬元以上，市場接受度不高，但代理加工服務卻非�；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，尚未實現(xiàn)第三方供應通用材料的模式，導致材料的成本非常高。同時，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)通用性更強的材料是技術提升的關鍵。解決好材料的性能和成本問題，將更好地推動我國的快速成型技術的發(fā)展。目前，我國3D打印快速成型技術使用的材料大多需從國外進口，或設備廠家自己投入巨大精力和經(jīng)費研制，價格昂貴，致使生產(chǎn)成本提高，而國內(nèi)該機器使用的材料其強度、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備還主要依靠進口。而國外常將原材料與設備捆綁銷售，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)品售價一般為300 ～400元/ k g，而進口粉末售價常在800元/kg以上。
國內(nèi)尚未針對3D打印技術用粉末開展相應的研究。如粉末成分、夾雜、物理性能對3D打印相關技術的影響及適應性。因此針對低氧含量、細粒徑粉末的使用要求，尚需開展鈦及鈦合金粉末成分設計、細粒徑粉末氣霧化制粉技術、粉末特性對制品性能的影響等研究工作。國內(nèi)受制粉技術所限，目前細粒徑粉末制備困難，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，導致制品中氧化物夾雜含量高、致密性差、強度低、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現(xiàn)狀
北京市科學技術委員會組織成立了“北京數(shù)字化制造產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新聯(lián)盟”，匯聚北京3D打印相關優(yōu)勢單位，如中航天地激光科技有限公司、清華大學、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、北京國科世紀激光技術有限公司、中航工業(yè)北京航空制造工程研究所、機械科學研究總院先進制造中心、北京印刷學院等，從材料、設備、運行模式等方面推進相關產(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）有限公司等機構(gòu)生產(chǎn)的粉末材料是針對粉末冶金或釬焊料用途設計研制的，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計研制。近年來，隨著3D打印技術的發(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，擁有國際先進的真空氣霧化設備（德國ALD公司和萊寶公司生產(chǎn)）以及多套國內(nèi)先進的超高壓水霧化制粉設備。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、低氧含量粉末研制方面擁有豐富的技術沉淀、先進的生產(chǎn)實驗設備和大量的項目研發(fā)經(jīng)驗，相關技術成果獲國家、省部級獎20余項，并已為多種型號航空航天部件提供優(yōu)質(zhì)的合金粉末。目前，該院正在重點進行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)用義齒等方面的應用試驗；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，進而針對其對3D打印產(chǎn)品最終性能的影響進行了研究；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性研究。實現(xiàn)細粒徑、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打印技術正處于快速發(fā)展時期，除了政府高度重視外，還在航空制造應用領域獲得了重大突破。雖然我國在高性能金屬構(gòu)件直接制造方面的技術處于國際領先地位，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，筆者預計我國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：
1. 高性能的金屬零件直接制造用
材料將成為技術制高點北京航空航天大學大學王華明教授指出，高性能金屬構(gòu)件直接制造技術將是該領域未來的技術制高點。3D打印有明確的細分市場，與快速原型制造技術相比，金屬構(gòu)件激光直接制造技術對于我國制造產(chǎn)業(yè)的推動作用更富變革性。高性能難加工的金屬大型復雜構(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，節(jié)省生產(chǎn)時間；另一方面，高性能金屬構(gòu)件直接制造技術可以制造出用傳統(tǒng)制造方法無法獲得的構(gòu)件形狀，力學性能也較好，還能實現(xiàn)多材料復合成型。與此同時，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發(fā)展的基礎與保障。只有提升材料工藝，利用3D打印技術生產(chǎn)高性能、難加工的大型復雜整體構(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打印技術的重要發(fā)展方向和主要動力之一，它不僅可以幫助解決我國一些工業(yè)大型設備構(gòu)件直接制造的技術瓶頸問題，而且也將是我國未來搶占3D打印增材制造技術戰(zhàn)略制高點的重要手段。
2.3D 打印將用于新材料研制
增材制造過程實際上是在微米層面、或者分子層合成一些新的材料，這樣的新材料可以實現(xiàn)把不同的材料復合在一起，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：在制造一個產(chǎn)品時，某個地方要求材料強度高，某個地方要求韌性好，某個地方又要求耐腐蝕或者耐磨，用“3D打印”方式合成的新材料，能夠同時滿足這些要求。新材料將應用于3D打印技術中，同時3D打印采用不同材料復合可能制造出新材料，二者將是相互促進的過程。
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行打印，并且不同的打印機對應不同的打印材料，未來的發(fā)展趨勢是實現(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于不同的打印設備；另一方面，打印設備對材料的選擇性也更大，可實現(xiàn)多種材料同時打印。一但設備的兼容性增強，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北京市重點實驗室）
