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1、金属3D打印行业分析1主要技术最初3D打印技术的主要应用是原型制造，将设计三维模型转化为实物，进行设计结构的验证，这种3D打印零件属于“非功能性的模型”，使用的材料主要是纸张、塑料和胶水；随着3D打印技术的成熟，近几年国内外很多机构开始尝试直接打印零件，即3D打印带有功能性的实物零件，使用的材料包括金属、高分子和陶瓷材料等。从技术难度上分析，功能性的实物制造比模型制造更难，一方面因为实物制造增加了对内部缺陷的要求；另一方面因为金属等材料的成型温度更高（熔化温度比塑料高约10倍），耐高温的打印头设计更复杂,而且凝固时产生很大的内应力，容易出现开裂、变形、气孔等现象,成型工艺比较复杂。当然，目前大
2、家关注的3D打印主要是具有功能性的实物制造，其中，金属零件的3D打印是最大的热点。目前金属零件的3D打印主要应用领域是航空、航天、军工、模具制造及医疗领域，用于这些领域共同特点就是个性化、小批量的快速制造。相对来说，医疗行业3D打印的应用发展速度较快，而其他领域发展较缓慢，主要原因是医疗领域充分利用了3D打印个性化制造的特点，对3D打印产品的机械强度和效率等要求较低，其他领域都对打印零部件的内部质量、机械强度、成型速度、配合精度均提出高要求。从金属3D打印实现方式分类，主要有两种，分别是烧结式和熔覆式。采用激光烧结成型工艺的3D打印典型的国外公司包括德国的EOSconcept、S1.M等公司，
3、英国的雷尼绍公司，日本matsuura公司；中国的华中科技大学滨湖机电公司、华南理工大学；采用电子束烧结成型工艺的瑞典的ARCAM公司，中国的北京航空制造研究所（625所），这类产品主要优点是成型的精度较高，缺点是成型速度低，成型尺寸限制在300mm左右；主要应用于医疗和小型模具制造。采用激光熔覆成型工艺的3D打印典型企业包括美国POM公司和OPTOMEC公司，中国的北京航空航天大学天地激光公司、西北工业大学西安伯利特公司、沈阳新松机器人自动化股份有限公司，电子束熔覆成型工艺3D打印典型企业包括美国的Sciaky公司、中国的北京航空制造研究所（625所）。这类产品的主要优点是冶金质量好、成型速
4、度快、成型尺寸大，但精度较低，需后续机加工，典型应用是航空高强度结构件、叶片制造、各种金属模具的直接成型。2应用现状虽然现在3D打印很热，有很多企业和政府也纷纷上马或推广3D打印项目，但真正用3D打印做出产品的较少。这里面关键问题还是技术问题，打印速度和精度、打印精度和强度等相互矛盾的技术指标困扰着制造商和最终用户，当然还有操作专业性强、原材料昂贵等问题，最终让他们保持观望态度。在现阶段技术条件下，3D打印的智能化及复合兼容技术非常有效地解决目前存在的弊端，大幅提升3D的性能。1、3D打印控制方式智能化目前国内外大部分3D都采用“盲”打工艺，需总结大量的工艺数据，成型工艺非常复杂，往往每一种形
5、状零件、每一种材料都需要不断的试验，几乎每一层都需要总结出工艺参数。而且当成型过程中出现异常时，系统无法识别，也不能自动调整，如果不去人工干预,将造成无法继续成型或将缺陷留在工件里，必须由经验丰富的专业技术人员操作机器随时观察成型状态才能做出较合格的零件，严重影响了金属3D打印的普及性。因此，笔者认为3D打印机智能化非常重要，像人一样，给3D打印机装上“眼睛”是非常必要的，通过看外在物体状态随时调整人的姿态和行为，对于3D打印机来说，就是调整工艺参数。因此，“智能识别和反馈功能”将是目前快速成型系统的迫切需要解决的问题，通过较简便的工艺参数积累，让3D打印设备自己去判断，智能调整即可，让复杂的
6、快速成型工艺变简单，更具有实用性和推广性。智能识别系统将提供大量成型过程的数据，希望通过实践积累大量数据，让3D打印机变更“聪明”，最终通过软件的开发让3D打印机具备自学习功能，这样的思路也就确确实实是3D打印系统需要具备的特征，同时也符合了机器人的特征。从3D打印的基本工艺来看，他每一层每一点的堆积都是一个特殊过程,可控性差,和切削的机床大有不同，机床每一刀下去都可控，这就是他们将采用不同控制方式的根本原因。相比数控技术，3D打印控制过程与焊接机器人系统更接近。那么，模糊控制、实时调控将是3D打印控制技术的重要特征,因此，确切来说我们的选择主控方式应该选机器人，而不是机床，不管是6轴关节还是
7、3坐标，控制方式决定系统类型。因此，从专业角度来看，“3D打印机器人”的称呼更适合这个它，也符合它的发展方向。2、增减材复合技术获得高速高分辨率3D打印产品对于高性能的金属构件，3D打印直接成型的光洁度和精度不能满足要求，尤其配合位置无法保证精度，不能装机使用，成型精度问题限制了3D打印的推广和应用。为了提高3D打印零件的成型精度，常规的方法是减小3D打印点的尺寸,提高分辨率，比如提高激光束的汇聚性,让熔化区域变更小，单个熔化区域尺寸达到微米级，但同时给超细材料的供给带来很大难度，同时熔化区的变小会带来成型速度大幅降低，效率的降低不适于工业领域应用。总之，常规思路的3D打印是：高速3D打印获得
8、低分辨率产品,低速3D打印获得高分辨率产品。那么，我们单从一个新技术发展特性来看，新技术对老技术的兼容和继承性非常重要，也是必须的，否则就是空中楼阁。显然，3D也须符合这个发展规律，增材制造结合切削减材制造技术，二者高度兼容才能让3D打印快速发展。具体来说，就是将传统铳削机床技术加入到3D打印成型过程中，仍然采用低分辨率的打印工艺，可保证高速成型工艺，然后用铳削的措施来保证成型精度，最终成型精度零件使用的技术标准。目前，日本松浦机械和美国Fabrisonic公司已经开始尝试将铳削技术和3D打印技术融合，国内的沈阳新松机器人自动化股份有限公司也已经开始进行3D打印复合技术开发，实现了随型流道注塑
9、模具、叶片、螺旋桨及其它复杂零部件的快速制造。3成本结构材料已经成为制约金属3D打印技术普及的重要原因。工业级的3D打印材料更是十分有限，目前适用的金属材料只有10余种，而且只有专用的金属粉末材料才能满足金属零件的打印需要。需要用到金属粉末材料的3D打印为工业级打印机，即选择性激光烧结(S1.S)和选择性激光熔化(S1.M)技术。3D打印对粉末材料的粒度分布、松装密度、氧含量、流动性等性能要求很高。根据不同的用途，金属材料制备的工件要求强度高、耐腐蚀、耐高温、比重小、具有良好的可烧结性等。同时，还要求材料无毒、环保；性能要稳定，能够满足打印机持续可靠运行。功能应用是越来越丰富，例如现在已对部分
10、材料提出了导电、水溶、耐磨等要求。当然前提是保证经济性。在金属3D打印中，常用的材料是钛粉、铝合金粉和不锈钢粉。与普通金属材料比，这些材料成本要高出10倍左右。例如，德国的EOS公司能生产出有限的几种金属粉末，如：不锈钢粉、铝硅粉、钛合金粉，但价格是传统粉体的10-20倍。目前，3D打印用钛粉约180万/吨，而航空用钛材价格约为20万/吨。目前在工业级打印材料方面存在的问题主要是：第一、可适用的材料成熟度跟不上3D市场的发展；第二、打印流畅性不足；第三、材料强度不够；第四、材料对人体的安全性与对环境的友好性的矛盾;第五是材料标准化及系列化规范的制定。但随着3D打印技术的成熟，金属材料的形态可能
11、会越来越丰富,如粉状、丝状、带状。金属材料将在生物医学、航空航天等领域具有广阔的应用前景和生命力。4研发动态一般而言，激光快速成型需要用高功率的激光照射试件表面，融化金属粉末，形成液态的熔池，然后移动激光束，熔化前方的粉末而让后方的金属液冷却凝固。周边需要有送粉装络、惰性气体保护、喷头控制等来配套。金属材料的3D打印制造技术之所以难度大，是因为金属的熔点比较高，涉及到了金属的固液相变、表面扩散以及热传导等多种物理过程。需要考虑的问题还包括，生成的晶体组织是否良好、整个试件是否均匀、内部杂质和孔隙的大小等等。另外，快速的加热和冷却还将引起试件内较大的残余应力。为了解决这些问题，一般需要在多种制造
12、参数配合，例如激光的功率和能量分布、激光聚焦点的移动速度和路径、加料速度、保护气压、外部温度等等。而国内金属3D打印技术并不落后于国外，多家企业机构一直对金属3D打印设备进行着研究并且取得了相应进展。5中欧美的比较第三次工业革命是以数字化制造及新材料、新能源应用为代表的科技领域的又一次重大飞跃，3D增量制造技术是数字化制造的重要标志，选择性激光烧结技术被公认为3D增量制造技术的最佳途径。国外代表性的企业1996年，3DSystemsStratasysZCorporation公司分别推出ACtUa2100、GenisysZ402产品，第一次使用了3D打印机的称谓。2005年，ZCroporati
13、on发布SpectrumZ510,这是世界上第一台高精度彩色3D打印机。同一年，英国巴恩大学的AdrianBoWyer发起开源3D打印机项目RepRap,其目标是制造出自我复制机，通过3D打印机本身，能够制造出另一台3D打印机。2008年，第一版RePRaP发布,代号Darwin,能够打印自身50%的元件,体积仅一个箱子大小。德国EOS公司的金属粉末烧结机-EOS金属激光粉末烧结系统设备。产品名称：E0SINTM270金属激光烧结系统。该设备采用EOS公司研发的DM1.S技术(DireCtMetal1.aser-Sintering)进行金属件制作。EOSINTM270激光烧结系统采用的是Yb-
14、fibre激光发射器，具有高效能、长寿命等特点。精准的光学系统能够保证模型的表面光滑度和准确度。氮气发生装置以及空压系统则使设备的使用更加安全。美国3DSYSTEMS公司的产品：sPro250S1.M商用型金属3D打印机为目前比较先进的制造系统，能够提供长达为320毫米(12.6英寸)的高工艺金属零件，具有出色的表面光洁度、精细的功能性细节与严格的公差。可以选择广泛范围的金属合金使用，包括铝和钛。sPro250S1.M商用型金属3D打印机的应用领域包括产品质量原型的功能测试，具有有机或高度复杂的几何形状。快速小批量制造金属部件的其他应用范例包括：定制医疗植入物、轻量级航空航天和赛车部件、高效散
15、热片、带有随形冷却管道的注塑模具镶件，以及牙帽、牙冠和牙桥。S1.M工艺使用高功率激光逐层熔化直接来自CAD数据的金属细粉末，以创建功能性金属部件。每一层操作完后重新喷粉机系统将堆积厚度范围从20到100微米的一个新粉末层。S1.M系统采用市售的气体雾化金属粉末产生完全致密的金属零件，包括不锈钢、钛、钻铭合金及工具钢的材料。这些系统在设计伊始均考虑到工具库或工人的需求，带有一个简单的触摸屏用户界面，便于管理粉末处理系统，结构坚固。只需选择满足客户特定应用需求的一种围护结构与材料。3D打印技术在美国已经产业化，目前有两家3D打印机制造巨头,分别是Stratasys（开发制订行业标准技术之一FDM
16、）和3DSystems（3D打印技术的创始者），完成后，只用一个水喷头就可以轻易地移除支撑材料，留下光滑的表面。南非科工研究理事会国家激光中心研究人员在激光添加制造技术（AdditiveManufacturing）,一种最新的快速成型制造技术上取得突破。该项技术的概念试验论证显示，其生产速度是现有的可商业化的选择性激光烧结技术的8.3倍。目前，利用该技术可以生产不超过500毫米的小尺寸部件，而当日揭牌的Aeroswift项目将致力于制造2mx0.5m的大尺寸部件。这将有助于南非航空制造公司Aerosud在三年内跻身世界航空结构件制造的先进行列。南非科工研究理事会与Aerosud公司共同承担了南
17、非科技部资助的Aeroswift项目，旨在开发制造速度快批量大的激光添加快速成型技术，为全球航天业制造金属钛部件。AerOSwift项目的关键是5千瓦IPG单光纤激光二极管发生器，它是激光添加制造技术的核心。国家激光中心希望在2012年底、2013年初完成该项技术设备的安装与测试工作，之后将其拆分，运至CentUriOn的航天谷，在那里重新组装并投入生产。南非Aerosud公司总经理在谈到其发展目标时表示，2013年该技术将在试验厂投入使用，然后再用一至两年时间进行实际开发并获得生产资质，2015年实现与全球航空公司合作，为其提供小批量、高附加值、复杂的钛金属部件。均在美国纳斯达克上市，201
18、1年营业收入分别为1.7亿美元和2.9亿美元。2011年3D打印市场规模17.1亿美元。不过，这一数字仅占全球制造市场的0.02%.以色列Objet公司：Objet是快速成型和快速制造的光固化技术先锋，开发者，生产商及高精度，高分辨率三维打印方案的全球市场推广者。Objet系统都是基于经过市场证明的自身专利技术的光敏树脂喷射技术，使得极为复杂的三维部件都可以以高品质，高精度和高速度打印出来。POlyjet的打印头类似于行式打印机，沿着X轴前后滑动，在成型室里铺上一层超薄的光敏树脂。每铺完一层后，喷头架边上的紫外光球立即发射紫外光，快速固化和硬化每层光敏树脂。这一步骤减少了使用其他技术所需的后处
19、理过程。每打印完一层，机器内部的成型底盘就会极为精确地下沉，而喷头继续一层一层地工作,直到原型件完成。精密的工具软件保证了所有的喷头能协调运作，能同步地往底盘上喷射等量的材料。这就产生了特别平坦和光滑的表面。成型时使用了两种不同的光敏树脂材料：一种是用来成型实体部件的成型材料，另一种类胶体的用来支撑部件的支撑材料。支撑结构的骨架先提前预排好程序用来配合复杂的成型件(如空腔，悬垂，底切，薄壁的截面)。成型完成后，只用一个水喷头就可以轻易地移除支撑材料，留下光滑的表面。南非科工研究理事会国家激光中心研究人员在激光添加制造技术(AdditiveManufacturing),一种最新的快速成型制造技术
20、上取得突破。该项技术的概念试验论证显示，其生产速度是现有的可商业化的选择性激光烧结技术的8.3倍。目前，利用该技术可以生产不超过500毫米的小尺寸部件，而当日揭牌的Aeroswift项目将致力于制造2mx0.5m的大尺寸部件。这将有助于南非航空制造公司Aerosud在三年内跻身世界航空结构件制造的先进行列。南非科工研究理事会与Aerosud公司共同承担了南非科技部资助的Aeroswift项目,旨在开发制造速度快批量大的激光添加快速成型技术，为全球航天业制造金属钛部件。AerOSWift项目的关键是5千瓦IPG单光纤激光二极管发生器，它是激光添加制造技术的核心。国家激光中心希望在2012年底、2
21、013年初完成该项技术设备的安装与测试工作，之后将其拆分，运至CentUriOn的航天谷，在那里重新组装并投入生产。南非Aerosud公司总经理在谈到其发展目标时表示，2013年该技术将在试验厂投入使用，然后再用一至两年时间进行实际开发并获得生产资质，2015年实现与全球航空公司合作，为其提供小批量、高附加值、复杂的钛金属部件。国内代表性的企业/高校中国从1994年开始研究3D打印，北京隆源公司于1995年成功研发了一台AFS激光快速成型机，随后华中科技大学也研制出了S1.S快速成型机。3D打印技术作为制造业领域的一次重大技术革命，已经广泛应用到航空航天等军事领域和大型复杂构件的一次成型制造，
22、是传统制造技术与新材料的完美结合。当前，我国在3D打印技术的核心领域已经与美国3D公司，以色列Objet公司等国际巨头基本处于同一水平。但是，在材料和软件开发，装备等方面，还有一定的差距。据了解，国内快速成型系统的科研团队主要包括清华大学颜永年团队、华中科技大学史玉升研究团队、西安交通大学卢秉恒团队，及北京航空航天大学王华明团队等。北京航空航天大学材料学院王华明教授是国内激光成型技术的领军人物。王华明教授：航空材料与结构研究部首席科学家，国内激光制造的学术带头人，北航团队领头人，在钛合金结构激光快速成型工艺、成套工艺装备及工程化的研究方面有十多年的研究经验从媒体报道及学术文章看，王教授提出激光
23、熔覆多元多相过渡金属硅化物高温耐磨耐蚀多功能涂层材料研究新领域，研制出迄今世界最大、拥有核心关键技术的飞机大型整体钛合金主承力结构件激光快速成形工程化成套装备，制造出中国最大的大型整体钛合金飞机主承力结构件，并通过装机评审。我国成为目前世界上唯一掌握飞机钛合金大型主承力结构件激光快速成形技术并实现装机应用的国家。王教授论文主要集中在激光加工航空部件领域，研究主要集中在工艺和材料上（目前研究方向为定向生长柱晶钛合金激光区域约束熔铸冶金材料制备与发动机叶片等复杂零件激光直接成型新技术等。但由于技术的相通性，其成果也可以应用于其它大型金属结构件）。在该领域的研究领先全球，具备产业化基础。在经过近20
24、年的研发，国内的3D打印设备也在不断取得突破,华中科技大学材料学院副院长史玉升教授的研究团队开发的1.2米1.2米的立体打印机（基于粉末床的激光烧结快速制造装备），是目前世界上最大成形空间的快速制造装备，远远超过国外同类装备水平，并因此获得2011年国家技术发明二等奖。据了解，从1991年开始，华中科技大学研究团队开始快速制造技术研发工作（研发了20年哦），2002年开发出工作面为0.5米X0.5米的装备,超过了当时代表国际最先进水平的美国3D系统公司；2005年研制出了工作面达1米义1米的装备,远远超过国外同类装备。随后，史玉升研究团队在大工作面粉床预热温度场均匀控制装置及方法和高强度大型激
25、光烧结制件的粉末材料制备及成形工艺等影响大型复杂制件整体成形的关键技术方面取得了突破，研制成功工业级的1.2米X1.2米快速制造装备，这是世界上最大成形空间的此类装备,超过德国EOS公司最大成形空间0.73米X0.38米和美国3D系统公司0.55米X0.55米的同类产品，使我国在快速制造领域达到世界领先水平。这项技术与装备的研发解决了新产品开发周期长、成本高、市场响应慢、柔性化差等问题，尤其适合动力装备、航空航天、汽车等高端产品上关键零部件的制造。如空心涡轮叶片、涡轮盘、发动机排气管、发动机缸体和缸盖，企业一旦拥有此技术，其产品更新换代能力明显改善，竞争力可以显著提高。史玉升教授研究团队的重要
26、骨干黄智告诉记者，广西玉柴机器股份有限公司运用该技术生产六缸发动机缸盖，一个星期内可以整体成形出四气门六缸发动机缸盖砂芯。而采用传统的砂型铸造试制方法，仅工装模具的设计制造周期通常需要5个月左右。华中科技大学材料学院副院长、快速制造中心主任史玉升教授表示，开发大成形空间的激光快速制造技术与装备是国际先进制造领域的一个竞争方向，也是决定快速制造技术走向工业化应用的难点之一。这种基于粉末床的激光烧结立体打印技术，获得了2011年国家技术发明二等奖，1.2米义1.2米工作面的世界最大立体打印机入选两院院士评选的2011年中国十大科技进展。快速制造中心引进机械、信息、光学、计算机、自动控制、力学、新型
27、材料等领域的人才，开展交叉学科研究。20年来，快速制造中心已从最早的不到10人，发展到100多人，成为目前华中科技大学最大的研发团队之一，人员构成涉及多个学科。6发展前景分析金属材料由于其高硬度，耐高温等得天独厚的特性，其作为3D打印原材料的发展空间将会是巨大的。相较于PVC、陶瓷等材料金属3D打印所制造出来的产品可以在更多的领域得到应用，如航天航空、汽车制造、军工等。产业链下游需求面更加宽广，使得金属零部件的3D打印技术在未来的发展前景更加被业界所看好。当然，金属3D打印在现阶段仍然会遇到一定的技术难题。因为金属的熔点相对较高，所以在成品制造的过程中会有多种物理过程（如金属固液形态的转变），
28、热传导和表面扩散等。为了解决这一系列问题，需要多种制造参数配合。相较于其他材料的3D打印技术，金属零部件快速成型技术应当是最为复杂的。因此，随着科技的逐步成熟，金属3D打印技术进步的空间将会是非常巨大的。根据WohlersAssociates统计显示，2012年售价在5000美元以上的工业级3D打印设备中，按销售额划分，占据市场前三位的分别是光固化31%,FDM材料挤出22%,粉末床熔化21%。从另一项统计数据分析中，能够更加直观的反映未来3D打印市场的发展走向。从3D打印服务商最想购买的设备来看，以金属粉末作为主要耗材的粉末床熔化设备的需求量超过了整体的一半以上。由此可见，能够处理难以加工的金属材料，符合更广泛市场应用的金属3D打印技术更加受到市场的青睐。
