1.2.3　金屬3D打印研究和應用現狀

裝備是金屬3D打印的關鍵要素。在過去的30年，金屬3D打印技術特別是裝備技術取得突飛猛進的發展。美國專門從事3D打印技術咨詢服務的Wohlers協會的統計結果表明，2012年至2016年，全球工業級金屬3D打印裝備銷售量年均增長率達到50%，如圖1-9所示，是同期非金屬3D打印裝備的年均增長率（15.62%）的3倍多。2017年新增1768臺，增速超過80%，總裝機量已達到5743臺。目前DED裝備已經能夠實現納米級金屬零件毛坯的直接制造；PBF裝備的成形效率雖然比DED低1～2個數量級，最大成形尺寸小于1m，但成形件的復雜性基本不受限制。

圖1-9　2000～2017年全球工業級金屬3D打印裝備銷售情況

材料是金屬3D打印的另一關鍵技術要素。目前，國內外3D打印金屬材料的研究主要是針對航空航天材料，如高性能鈦合金、高溫合金、超高強度鋼以及鋁合金。隨著3D 打印技術向生物醫療、動力、能源等領域的推廣，鈷合金、銅合金、難熔合金、金屬間化合物、復合材料、梯度材料、高熵合金、非晶合金的3D打印也逐漸受到了重視。總體來說，目前研究最為成熟的主要是Ti-6Al-4V合金、Inconel 718合金、Inconel 625 合金、316L不銹鋼和Co-28Cr-6Mo合金，并已制定了相關標準，如表1-1所示。

表1-1　國內外頒布實施的3D打印金屬材料標準

除此之外，國內外一些設備制造產商，也發布了一些3D打印典型金屬材料的數據庫，主要涉及304L、316L、17-4PH、15-5PH、H13、M300等不銹鋼和工具鋼，AlSi7Mg、AlSi10Mg、AlSi12等鋁合金，純Ti、Ti-6Al-4V、Ti6242等鈦合金，Hastelloy X、Inconel 939、Inconel 625、Inconel 718等鎳基高溫合金，CoCrMo、CoCrW等鈷基醫用合金，以及Cu、W、Mo、Zr等純金屬材料。盡管這些標準還非常粗糙，如材料相關性能的系統性、完整性還不夠完善，典型材料的力學性能與傳統制造技術還存在差距，標準中的很多指標要求都是由供貨商和采購商協商，但這對于金屬3D打印技術的發展和應用來說邁出了突破性的一步。

在3D打印裝備和技術發展帶動下，應用端已呈現快速擴展態勢。例如，截至2017年11月份，全球采用3D打印技術制備的鈦合金髖臼杯臨床應用已超過10萬例，如圖1-10（a）所示。此外，美國通用電氣公司計劃將在2020年采用金屬3D打印技術制造10萬個航空發動機用燃油噴嘴，如圖1-10（b）所示。

圖1-10　3D打印技術制備的鈦合金髖臼杯（a）和航空發動機用燃油噴嘴（b）

相比于傳統鑄鍛焊等熱加工技術和機械加工等冷加工技術，金屬3D打印技術的成熟度相比傳統技術還有很大差距，特別是材料已經成為影響金屬3D打印未來發展的關鍵因素。據不完全統計，5000多種金屬合金中，只有幾十種能夠高質量3D打印成形，原料種類少、成本高、材料工藝和質量控制技術的不成熟、專用合金開發的滯后、成形構件無損檢測方法的不完善以及相關標準的缺乏，在很大程度上制約了金屬3D打印技術的應用。