金屬3D 打印技術研究綜述

許 洋

（泊頭職業學院，河北 泊頭 062150）

隨著首份國家級 3D 打印發展計劃《國家增材制造產業發展推進計劃（2015—2016年）》的發布以及《中國制造 2025》規劃綱要的出臺，該技術以數字化制造和設計為基礎，與互聯網商業服務和先進材料技術的深度融合，必將為傳統制造業帶來顛覆式變革。加快3D打印技術研發和產業化應用，對于提升我國制造業的自主創新能力，搶占未來科技和產業制高點，推進我國制造業轉型升級與經濟發展方式轉變，實現制造業強國的建設目標具有重要意義。金屬材料的3D打印技術作為3D打印制造體系中最前沿和最具工程應用潛力的技術，是加快發展智能制造新技術、新裝備的重要發展方向之一。

1 3D打印技術及金屬3D打印技術

3D 打印技術也叫增材制造技術，亦即是國內稱之為快速成形的一種先進制造技術。其本質原理是離散與堆積，即在計算機的輔助下，通過對實體模型進行切片處理，把三維實體的制造轉換成二維層面的堆積和沿成形方向上的不斷疊加，最終實現三維實體的制造。相比于傳統制造方法，3D打印具有制造周期短、成形不受零件復雜程度限制，以及節材、節能等優勢。因此，無論是國內還是國外，3D打印技術都備受推崇，甚至有人認為它將引領新一輪工業革命的到來。如今，3D打印技術已經在工業、生物醫療、考古等行業中得到廣泛應用。3D 打印設備甚至也已經進入尋常百姓家。

作為金屬制品3D打印的關鍵原料，金屬粉末的品質質量很大程度上決定了 產品最終的成型效果，因此高品質粉末對金屬3D打印技術的發展至關重要。粉末材料作為金屬 3D 打印的基礎性、直接性、關鍵性原材料，高品質、低成本粉末材料

2 金屬3D打印技術國內發展現狀

3D打印技術自上世紀90年代初傳入我國起，一直深受國內廣大科研工作者的高度重視。從 3D 打印設備到打印材料研發，以及3D打印與傳統成形相結合的復合成形技術，國內都有深入的研究。如今，3D打印的節材、節能技術特點高度契合我國的可持續發展戰略。

因此，國內近期持續掀起3D打印熱，許多企業，甚至地方政府也都紛紛踏足到3D打印產業中。

隨著新一輪科技革命和產業變革的逐漸興起，世界各國都將3D打印技術作為發展智能制造的切入點，通過政策規劃、產業布局、科技創新和技術突破，實現與網絡信息技術的深度融合，從而樹立起本國制造業在全球競爭中的新優勢。2012年，為重振先進制造業的領導地位，美國國家 科 學 和 技 術 委 員 會（ National Science and Technology Council，NSTC）發布了《先進制造業國家戰略計劃》，并宣布啟動“國家制造創新網絡”計劃。隨后首家創新機構——國家增材制造創新中心（National Additive Manufacturing Innovation Institute，NAMII）的建立，標志著美國率先啟動了 3D 打印技術和產業的快速發展。2013 年，德國推出了《德國工業 4.0 戰略計劃實施建議》，提出通過“信息物理系統”（Cyber Physical Systems，CPS）實現生產過程中人與機器的實時互通，構建網絡化和數字化的智能制造模式。為推動3D打印技術在實現工業 4.0 的建設過程中發揮更大的作用，德國政府通過《3D 打印技術的現實分析與發展綱要》總結并分析了本國 3D 打印技術的發展現狀，并對未來 10 年的發展方向做出了宏觀布局。為了對接德國的“工業 4.0”發展計劃，2015年歐盟發布了最新的“3D打印標準化路線圖”，明確了3D打印技術在歐盟發展戰略中的重要性，闡述了產業標準化對于降低能源消耗、提高產品質量和完善服務機制的重要作用，并對3D打印技術、產業的未來發展方向做出了整體規劃，期望建立起歐盟在全球3D打印領域的領先地位。其他一些科技強國，如英國、澳大利亞、日本和韓國等也紛紛出臺相關計劃、政策并成立專業機構，旨在推動以3D打印技術為核心的先進制造業快速發展，構建完善的技術研發與產業轉化體系，提升各國在3D打印領域的國際競爭力?？偟恼f來，全球正在興起一輪以3D 打印為主要發展技術的科技與產業革命。

3 金屬3D粉末的種類及用途

鈦及鈦合金作為新型輕質金屬結構材料，憑借比強度高、耐蝕性能良好等一系列優異性能，在航空航天、石油能源、船舶、化工、生物、醫療等領域獲得較廣泛的應用。作為金屬3D打印的重要體系和研究熱點，3D打印鈦合金既可以提高材料利用率又可以解決鈦合金難熔煉易污染等難題。據不完全統計，以TC4為代表的鈦合金在金屬3D 打印中占比超過26%，隨著3D打印技術和粉末制備技術的不斷發展，3D打印粉末鈦合金在醫療、航空等領域的應用也不斷推進和拓展。研究表明，3D打印鈦合金工件組織致密，力學性能良好，成型質量甚至超過鍛件水平，湯慧萍等通過電子束增材制造的高鈮鈦鋁構件表現出優異的力學性能，其抗壓強度可達2750MPa。

近年來，隨著3D打印技術的不斷成熟和完善，鈦合金3D打印已成為航空航天領域的重點研究對象，以航空航天用鈦合金為例，3D 打印甚至可以比傳統工藝節省30%的材料成本，一些3D打印鈦合金大型件、復雜件已完成汽車制造及航空領域的工程驗證。由于良好的生物相容性，3D打印鈦基材料在醫學領域也得到了廣泛的應用，對患者的CT掃描數據進一步建模，通過3D打印技術設計制作個性化假體，已在國內外醫療領域取得豐碩的成果，3D打印顱骨、胸骨、牙齒、關節等在臨床手術中已有多起成功的案例，以髖臼杯為代表的部分產品已實現批量生產。

高性能鐵基合金材料的制備是當下國內外科研研究的焦點。由于來源廣泛、價格便宜，以不銹鋼材料為代表的鐵基合金材料是最早應用于3D 打印的金屬材料之一，在3D 打印領域得到了較為廣泛的研究和應用。相比于傳統鑄造鍛造技術，3D打印不銹鋼具有優異的物理、化學和力學性能如高強度、優異的耐高溫、耐磨性和耐蝕性等，加之高的尺寸精度和材料利用率，在航空航天、汽車、船舶、機械制造等行業得到廣泛的應用。Fujieda等利 用 3D打印技術制備 ALCOCRFENI合金，研究表明該合金延展性良好，斷裂強度達1400Mpa，是傳統發動機用304不銹鋼的6倍。Khairul等通過3D 打印技術制備出孔隙率為10%的316 L多孔電池支架，研究表明，該多孔電極支架可以用作電化學裝置中的電極，有望提高電化學裝置如電池和燃料電池裝置的性能和壽命。Wang等通過3D打印技術制備316L不銹鋼取得突破性進展，研究表明該材料除了具備良好的屈服強度外還具有良好的延展性，顛覆性解決了傳統工藝材料強度和延展性“魚與熊掌不可兼得”的難題，為高性能合金制備提供了新思路。

高溫合金因良好的高溫蠕變性能，優異的抗腐蝕和耐磨性能，適合長時間在高溫、高壓振動、腐蝕等極端工況下服役工作，在航空航天、汽車發動機葉片、定子、燃燒室、渦輪盤以及刀具、煤電、核電、石油等領域受到科研工作者的廣泛青睞，以現代燃氣渦輪發動機為例，其高溫合金材料應用占比甚至達到50%以上。Incone1718鎳基高溫材料通常具有卓越的力學性能，但Incone1718航空零部件常因形狀復雜，室溫下傳統工藝方法加工難度極大，且生產效率極低。劉錦輝等通過3D打印技術獲得了具有良好表面質量和致密度的Incone1718合金，并通過調整優化工藝參數，保證工件同時擁有復雜結構和優異性能。Nandwana等，利 用 3D 打印技術制備出完全致密化的Incone1718合金，為傳統Incone1718合金需要通過鑄造和機械加工等大量后續處理才能達到理想幾何形狀提供了新的思路。唐楊杰等制備出晶粒細小的Ti2A1Nb輕質高溫合金，研究表明該合金具有良好的力學性能，750℃下抗拉強度為665M Pa，可達到室溫的65%。目前，Incone1625、Incone1718 以及Incone1738等高溫合金體系研究和應用已較為成熟。

作為重要的輕質合金材料，鋁合金通常具有質輕、強度高、塑性好、耐腐蝕性等優點，在航空航天、汽車、船舶等領域扮演極為重要的角色，開發鋁合金3D打印技術成 為研究熱點之一。因成本低、周期短、精度高、無需模具、凈盡成型等一系列優異性能，當傳統工藝無法滿足復雜精密構件的輕量化、復合化制造時，3D打印技術應運而生。研究表明，3D打印鋁合金可以做到零件致密、組織細小，力學性能則堪比鑄件甚至優于鑄造成型零件，且相較于傳統工藝零部件其質量可減少22%，成本卻可減少30%。

此外，Cu、Mg、Sn等金屬及合金材料也已經在航空、軍工、汽車、藝術品等領域得到較為廣泛的研究和應用。