金属3D 打印技术研究综述

许 洋

（泊头职业学院，河北 泊头 062150）

随着首份国家级 3D 打印发展计划《国家增材制造产业发展推进计划（2015—2016年）》的发布以及《中国制造 2025》规划纲要的出台，该技术以数字化制造和设计为基础，与互联网商业服务和先进材料技术的深度融合，必将为传统制造业带来颠覆式变革。加快3D打印技术研发和产业化应用，对于提升我国制造业的自主创新能力，抢占未来科技和产业制高点，推进我国制造业转型升级与经济发展方式转变，实现制造业强国的建设目标具有重要意义。金属材料的3D打印技术作为3D打印制造体系中最前沿和最具工程应用潜力的技术，是加快发展智能制造新技术、新装备的重要发展方向之一。

1 3D打印技术及金属3D打印技术

3D 打印技术也叫增材制造技术，亦即是国内称之为快速成形的一种先进制造技术。其本质原理是离散与堆积，即在计算机的辅助下，通过对实体模型进行切片处理，把三维实体的制造转换成二维层面的堆积和沿成形方向上的不断叠加，最终实现三维实体的制造。相比于传统制造方法，3D打印具有制造周期短、成形不受零件复杂程度限制，以及节材、节能等优势。因此，无论是国内还是国外，3D打印技术都备受推崇，甚至有人认为它将引领新一轮工业革命的到来。如今，3D打印技术已经在工业、生物医疗、考古等行业中得到广泛应用。3D 打印设备甚至也已经进入寻常百姓家。

作为金属制品3D打印的关键原料，金属粉末的品质质量很大程度上决定了 产品最终的成型效果，因此高品质粉末对金属3D打印技术的发展至关重要。粉末材料作为金属 3D 打印的基础性、直接性、关键性原材料，高品质、低成本粉末材料

2 金属3D打印技术国内发展现状

3D打印技术自上世纪90年代初传入我国起，一直深受国内广大科研工作者的高度重视。从 3D 打印设备到打印材料研发，以及3D打印与传统成形相结合的复合成形技术，国内都有深入的研究。如今，3D打印的节材、节能技术特点高度契合我国的可持续发展战略。

因此，国内近期持续掀起3D打印热，许多企业，甚至地方政府也都纷纷踏足到3D打印产业中。

随着新一轮科技革命和产业变革的逐渐兴起，世界各国都将3D打印技术作为发展智能制造的切入点，通过政策规划、产业布局、科技创新和技术突破，实现与网络信息技术的深度融合，从而树立起本国制造业在全球竞争中的新优势。2012年，为重振先进制造业的领导地位，美国国家 科 学 和 技 术 委 员 会（ National Science and Technology Council，NSTC）发布了《先进制造业国家战略计划》，并宣布启动“国家制造创新网络”计划。随后首家创新机构——国家增材制造创新中心（National Additive Manufacturing Innovation Institute，NAMII）的建立，标志着美国率先启动了 3D 打印技术和产业的快速发展。2013 年，德国推出了《德国工业 4.0 战略计划实施建议》，提出通过“信息物理系统”（Cyber Physical Systems，CPS）实现生产过程中人与机器的实时互通，构建网络化和数字化的智能制造模式。为推动3D打印技术在实现工业 4.0 的建设过程中发挥更大的作用，德国政府通过《3D 打印技术的现实分析与发展纲要》总结并分析了本国 3D 打印技术的发展现状，并对未来 10 年的发展方向做出了宏观布局。为了对接德国的“工业 4.0”发展计划，2015年欧盟发布了最新的“3D打印标准化路线图”，明确了3D打印技术在欧盟发展战略中的重要性，阐述了产业标准化对于降低能源消耗、提高产品质量和完善服务机制的重要作用，并对3D打印技术、产业的未来发展方向做出了整体规划，期望建立起欧盟在全球3D打印领域的领先地位。其他一些科技强国，如英国、澳大利亚、日本和韩国等也纷纷出台相关计划、政策并成立专业机构，旨在推动以3D打印技术为核心的先进制造业快速发展，构建完善的技术研发与产业转化体系，提升各国在3D打印领域的国际竞争力。总的说来，全球正在兴起一轮以3D 打印为主要发展技术的科技与产业革命。

3 金属3D粉末的种类及用途

钛及钛合金作为新型轻质金属结构材料，凭借比强度高、耐蚀性能良好等一系列优异性能，在航空航天、石油能源、船舶、化工、生物、医疗等领域获得较广泛的应用。作为金属3D打印的重要体系和研究热点，3D打印钛合金既可以提高材料利用率又可以解决钛合金难熔炼易污染等难题。据不完全统计，以TC4为代表的钛合金在金属3D 打印中占比超过26%，随着3D打印技术和粉末制备技术的不断发展，3D打印粉末钛合金在医疗、航空等领域的应用也不断推进和拓展。研究表明，3D打印钛合金工件组织致密，力学性能良好，成型质量甚至超过锻件水平，汤慧萍等通过电子束增材制造的高铌钛铝构件表现出优异的力学性能，其抗压强度可达2750MPa。

近年来，随着3D打印技术的不断成熟和完善，钛合金3D打印已成为航空航天领域的重点研究对象，以航空航天用钛合金为例，3D 打印甚至可以比传统工艺节省30%的材料成本，一些3D打印钛合金大型件、复杂件已完成汽车制造及航空领域的工程验证。由于良好的生物相容性，3D打印钛基材料在医学领域也得到了广泛的应用，对患者的CT扫描数据进一步建模，通过3D打印技术设计制作个性化假体，已在国内外医疗领域取得丰硕的成果，3D打印颅骨、胸骨、牙齿、关节等在临床手术中已有多起成功的案例，以髋臼杯为代表的部分产品已实现批量生产。

高性能铁基合金材料的制备是当下国内外科研研究的焦点。由于来源广泛、价格便宜，以不锈钢材料为代表的铁基合金材料是最早应用于3D 打印的金属材料之一，在3D 打印领域得到了较为广泛的研究和应用。相比于传统铸造锻造技术，3D打印不锈钢具有优异的物理、化学和力学性能如高强度、优异的耐高温、耐磨性和耐蚀性等，加之高的尺寸精度和材料利用率，在航空航天、汽车、船舶、机械制造等行业得到广泛的应用。Fujieda等利 用 3D打印技术制备 ALCOCRFENI合金，研究表明该合金延展性良好，断裂强度达1400Mpa，是传统发动机用304不锈钢的6倍。Khairul等通过3D 打印技术制备出孔隙率为10%的316 L多孔电池支架，研究表明，该多孔电极支架可以用作电化学装置中的电极，有望提高电化学装置如电池和燃料电池装置的性能和寿命。Wang等通过3D打印技术制备316L不锈钢取得突破性进展，研究表明该材料除了具备良好的屈服强度外还具有良好的延展性，颠覆性解决了传统工艺材料强度和延展性“鱼与熊掌不可兼得”的难题，为高性能合金制备提供了新思路。

高温合金因良好的高温蠕变性能，优异的抗腐蚀和耐磨性能，适合长时间在高温、高压振动、腐蚀等极端工况下服役工作，在航空航天、汽车发动机叶片、定子、燃烧室、涡轮盘以及刀具、煤电、核电、石油等领域受到科研工作者的广泛青睐，以现代燃气涡轮发动机为例，其高温合金材料应用占比甚至达到50%以上。Incone1718镍基高温材料通常具有卓越的力学性能，但Incone1718航空零部件常因形状复杂，室温下传统工艺方法加工难度极大，且生产效率极低。刘锦辉等通过3D打印技术获得了具有良好表面质量和致密度的Incone1718合金，并通过调整优化工艺参数，保证工件同时拥有复杂结构和优异性能。Nandwana等，利 用 3D 打印技术制备出完全致密化的Incone1718合金，为传统Incone1718合金需要通过铸造和机械加工等大量后续处理才能达到理想几何形状提供了新的思路。唐杨杰等制备出晶粒细小的Ti2A1Nb轻质高温合金，研究表明该合金具有良好的力学性能，750℃下抗拉强度为665M Pa，可达到室温的65%。目前，Incone1625、Incone1718 以及Incone1738等高温合金体系研究和应用已较为成熟。

作为重要的轻质合金材料，铝合金通常具有质轻、强度高、塑性好、耐腐蚀性等优点，在航空航天、汽车、船舶等领域扮演极为重要的角色，开发铝合金3D打印技术成 为研究热点之一。因成本低、周期短、精度高、无需模具、净尽成型等一系列优异性能，当传统工艺无法满足复杂精密构件的轻量化、复合化制造时，3D打印技术应运而生。研究表明，3D打印铝合金可以做到零件致密、组织细小，力学性能则堪比铸件甚至优于铸造成型零件，且相较于传统工艺零部件其质量可减少22%，成本却可减少30%。

此外，Cu、Mg、Sn等金属及合金材料也已经在航空、军工、汽车、艺术品等领域得到较为广泛的研究和应用。