1.2.3　金属3D打印研究和应用现状

装备是金属3D打印的关键要素。在过去的30年，金属3D打印技术特别是装备技术取得突飞猛进的发展。美国专门从事3D打印技术咨询服务的Wohlers协会的统计结果表明，2012年至2016年，全球工业级金属3D打印装备销售量年均增长率达到50%，如图1-9所示，是同期非金属3D打印装备的年均增长率（15.62%）的3倍多。2017年新增1768台，增速超过80%，总装机量已达到5743台。目前DED装备已经能够实现纳米级金属零件毛坯的直接制造；PBF装备的成形效率虽然比DED低1～2个数量级，最大成形尺寸小于1m，但成形件的复杂性基本不受限制。

图1-9　2000～2017年全球工业级金属3D打印装备销售情况

材料是金属3D打印的另一关键技术要素。目前，国内外3D打印金属材料的研究主要是针对航空航天材料，如高性能钛合金、高温合金、超高强度钢以及铝合金。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、难熔合金、金属间化合物、复合材料、梯度材料、高熵合金、非晶合金的3D打印也逐渐受到了重视。总体来说，目前研究最为成熟的主要是Ti-6Al-4V合金、Inconel 718合金、Inconel 625 合金、316L不锈钢和Co-28Cr-6Mo合金，并已制定了相关标准，如表1-1所示。

表1-1　国内外颁布实施的3D打印金属材料标准

除此之外，国内外一些设备制造产商，也发布了一些3D打印典型金属材料的数据库，主要涉及304L、316L、17-4PH、15-5PH、H13、M300等不锈钢和工具钢，AlSi7Mg、AlSi10Mg、AlSi12等铝合金，纯Ti、Ti-6Al-4V、Ti6242等钛合金，Hastelloy X、Inconel 939、Inconel 625、Inconel 718等镍基高温合金，CoCrMo、CoCrW等钴基医用合金，以及Cu、W、Mo、Zr等纯金属材料。尽管这些标准还非常粗糙，如材料相关性能的系统性、完整性还不够完善，典型材料的力学性能与传统制造技术还存在差距，标准中的很多指标要求都是由供货商和采购商协商，但这对于金属3D打印技术的发展和应用来说迈出了突破性的一步。

在3D打印装备和技术发展带动下，应用端已呈现快速扩展态势。例如，截至2017年11月份，全球采用3D打印技术制备的钛合金髋臼杯临床应用已超过10万例，如图1-10（a）所示。此外，美国通用电气公司计划将在2020年采用金属3D打印技术制造10万个航空发动机用燃油喷嘴，如图1-10（b）所示。

图1-10　3D打印技术制备的钛合金髋臼杯（a）和航空发动机用燃油喷嘴（b）

相比于传统铸锻焊等热加工技术和机械加工等冷加工技术，金属3D打印技术的成熟度相比传统技术还有很大差距，特别是材料已经成为影响金属3D打印未来发展的关键因素。据不完全统计，5000多种金属合金中，只有几十种能够高质量3D打印成形，原料种类少、成本高、材料工艺和质量控制技术的不成熟、专用合金开发的滞后、成形构件无损检测方法的不完善以及相关标准的缺乏，在很大程度上制约了金属3D打印技术的应用。