3D打印（增材制造）技術(shù)是全球最關(guān)注的新興技術(shù)之一。全球3D打印產(chǎn)業(yè)的權(quán)威研究機(jī)構(gòu)——美國(guó)沃勒斯公司發(fā)布的全球3D打印產(chǎn)業(yè)報(bào)告顯示，美國(guó)、德國(guó)、日本的3D打印產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為世界3D打印產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)頭羊，占有全球3D打印產(chǎn)業(yè)70%以上的份額。3D打印服務(wù)的社會(huì)需求量將逐年增長(zhǎng)，目前產(chǎn)值已經(jīng)超過30億美元，到2017年有望增長(zhǎng)至50億美元。世界各國(guó)正在不斷加強(qiáng)3D打印技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用，我國(guó)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。有專家指出，3D打印的核心是它對(duì)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打印機(jī)及其打印作品圖示

一、3D打印用材料特性及發(fā)展現(xiàn)狀 

3D打印對(duì)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(duì)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。基于此，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)”兩大類。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(duì)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(jiǎn)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(guó)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)容易，體積較大的金屬構(gòu)件的直接制造難度非常大，對(duì)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(duì)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，就與配套粉體打印材料的發(fā)展密不可分。合金粉末內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)對(duì)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。近年來，歐美等國(guó)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(guó)北京航空航天大學(xué)團(tuán)隊(duì)通過對(duì)激光直接制造成套裝備的研制和對(duì)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(guó)內(nèi)用于金屬構(gòu)件直接制造的材料主要依賴進(jìn)口，國(guó)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(guó)高端3D打印產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

二、我國(guó)3D打印及其專用粉體材料產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

1、國(guó)內(nèi)3D打印產(chǎn)業(yè)現(xiàn)況

3D打印技術(shù)在我國(guó)還處于發(fā)展初期，產(chǎn)業(yè)體量相對(duì)較小。同時(shí)，中國(guó)制造業(yè)各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)3D打印技術(shù)的認(rèn)識(shí)還存在很多不足。根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)，目前，我國(guó)對(duì)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(duì)3D打印用耗材種類多樣性和對(duì)代理加工服務(wù)的需求上。

2、國(guó)內(nèi)3D打印用材料現(xiàn)狀

目前，我國(guó)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(guó)內(nèi)尚無針對(duì)專用于3D打印的粉末制備研究，對(duì)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(guó)的快速成型技術(shù)的發(fā)展。目前，我國(guó)3D打印快速成型技術(shù)使用的材料大多需從國(guó)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(guó)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(guó)產(chǎn)化已勢(shì)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。國(guó)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(guó)外廠商憑借技術(shù)優(yōu)勢(shì)，常將3D原材料與設(shè)備捆綁銷售，賺取大量的利潤(rùn)。以鎳基粉末為例，原材料成本約200元/kg，國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品售價(jià)一般為300～400元/kg，而進(jìn)口粉末售價(jià)常在800元/kg以上。

三、我國(guó)3D打印用特種粉體材料未來發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)3D打印技術(shù)正處于快速發(fā)展時(shí)期，雖然我國(guó)在高性能金屬構(gòu)件直接制造方面的技術(shù)處于國(guó)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(duì)落后的問題仍然不容忽視。 根據(jù)分析，我國(guó)3D打印用特種合金粉體材料的未來發(fā)展趨勢(shì)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)

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(shì)：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。

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、或者分子層面合成一些新的材料，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打印用粉體耗材生產(chǎn)將通用化和專業(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(duì)應(yīng)不同的打印材料，未來的發(fā)展趨勢(shì)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(duì)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。

小結(jié)：3d打印技術(shù)從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用范圍之廣將超乎想象,最終將給人們的生產(chǎn)和生活方式帶來顛覆式的改變,甚至?xí)l(fā)第三次工業(yè)革命。但是由于受制于材料、成本、打印速度、制造精度等多方面因素，這項(xiàng)技術(shù)并不能完全取代傳統(tǒng)的減材制造法并實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，未來相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)兩種生產(chǎn)方式將并存、互補(bǔ)。總體而言，3D打印技術(shù)將會(huì)進(jìn)入一個(gè)發(fā)展的快車道。而作為3D打印技術(shù)的核心，3D打印用粉體材料的研發(fā)及發(fā)展速度決定著這一朝陽產(chǎn)業(yè)的前進(jìn)步伐。因此，3D打印用粉體材料生產(chǎn)技術(shù)將是未來粉體材料領(lǐng)域一顆璀璨明珠，誰能搶得先機(jī)誰就能成為粉體材料領(lǐng)域的時(shí)代弄潮兒。

(粉體圈 作者：梧桐)