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 近20年來，3D打印技術(shù)取得了快速的發(fā)展，所用的材料種類越來越多，成形結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，零件的精度越來越高，使3D打印技術(shù)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。根據(jù)美國(guó)技術(shù)咨詢服務(wù)協(xié)會(huì)wohler的報(bào)告，全球3D打印市場(chǎng)持續(xù)增長(zhǎng)，2012年3D打印設(shè)備與服務(wù)全球直接產(chǎn)值是22.04億美元。如此巨大的市場(chǎng)讓世界各國(guó)都十分重視3D打印技術(shù)，而金屬材料3D打印是3D打印技術(shù)最前沿的部分之一，在航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用迅速擴(kuò)大，未來具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1、國(guó)外金屬材料3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀

 在20世紀(jì)90年代，激光熔融沉積成形技術(shù)(LD—MD)首先在美國(guó)發(fā)展起來。約翰霍普金斯大學(xué)、賓州大學(xué)和MTS公司通過對(duì)鈦合金3D打印技術(shù)的研究，開發(fā)出一項(xiàng)以大功率CO2激光熔覆沉積成形技術(shù)為基礎(chǔ)的“鈦合金的柔性制造”技術(shù)，并于1997年成立了AeroMet公司。該公司在2002～2005年之間就通過3D打印技術(shù)制備了接頭、內(nèi)龍骨腹板、外掛架翼肋、推力拉梁、翼根吊環(huán)、帶筋壁板等飛機(jī)零部件；美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室采用該技術(shù)開展了不銹鋼、鈦合金、高溫合金等多種金屬材料的3D打印研究，并成功實(shí)現(xiàn)了某衛(wèi)星TC4鈦合金零件毛坯的成形。成形過程所用時(shí)間相比傳統(tǒng)方法明顯縮短。2014年5月，美海軍在巴丹號(hào)航母上硬著艦了一架前起落架損壞的鷂式戰(zhàn)機(jī)，三個(gè)月后，“美艦艇備戰(zhàn)中心”稱艦上人員已經(jīng)通過3D打印技術(shù)修復(fù)了該飛機(jī)。

 同樣是在20世紀(jì)90年代，德國(guó)Fraunhofer研究所提出了利用激光選區(qū)熔化(SLM)打印金屬材料的方法，并在2002年研究成功。隨后多家公司推出了SLM設(shè)備，如MCP公司開發(fā)的MCPRealizer系統(tǒng)、EOS公司開發(fā)的EOSINT M系列，RENISHAW公司開發(fā)的AM250系統(tǒng)等。此外，國(guó)外多家高校及研究所如德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)、英國(guó)利茲大學(xué)、利物浦大學(xué)、比利時(shí)魯文大學(xué)、日本大阪大學(xué)以及英國(guó)焊接研究所、德國(guó)Fraunhofer激光技術(shù)研究所等得到了歐盟第六七框架計(jì)劃、德國(guó)研究基金等機(jī)構(gòu)及波音、洛克希德-馬丁、EADS等大型航空航天企業(yè)的資助，對(duì)SLM材料特性、缺陷控制、應(yīng)力控制等基礎(chǔ)問題開展了大量研究工作。在SLM技術(shù)的應(yīng)用方面，2012年GE通用電氣航空集團(tuán)收購(gòu)了名叫Morris的3D打印企業(yè)，采用激光選區(qū)熔化3D打印技術(shù)為L(zhǎng)EAP噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)制造燃油噴嘴，目前GE航空集團(tuán)已經(jīng)接受了超過4000臺(tái)LEAP噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的訂單，其中要通過3D打印制造的零件數(shù)量巨大。另一方面，SLM技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域也得到了應(yīng)用，例如通過SLM技術(shù)成形Co-Cr合金的可摘除式局部義齒，不銹鋼材料的基底冠、全冠和固定橋。

 20世紀(jì)90年代，瑞典的Chalmers工業(yè)大學(xué)與Arcam公司合作開發(fā)出了另一種金屬材料3D打印技術(shù)一電子束選區(qū)熔化成形(EBM)技術(shù)，Aream公司隨后在2003年推出了首臺(tái)商用的EBM設(shè)備，并相繼推出了一系列的EBM產(chǎn)品，客戶包括國(guó)外許多工廠、高校及研究機(jī)構(gòu)。EBM工藝目前主要在航空航天及生物醫(yī)療方面有所應(yīng)用，目前通過EBM打印的顱骨、股骨柄、髖臼杯等骨科植入物已經(jīng)得到了臨床應(yīng)用，EBM技術(shù)在此方向的研究應(yīng)用已經(jīng)較為成熟；近年來，EBM技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展十分迅速，多家航空公司都開展了利用EBM技術(shù)制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜零件的研究，其中意大利AVIO公司利用該技術(shù)成功的制備出了TiAl基合金發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，引起了航空制造界廣泛關(guān)注。

2、國(guó)外政府對(duì)3D打印的支持情況

 由于3D打印技術(shù)諸多優(yōu)點(diǎn)及其廣闊的市場(chǎng)前景，世界上多個(gè)國(guó)家都加大了對(duì)3D打印技術(shù)的投入。2012年8月美國(guó)撥款3000萬美元在俄亥俄州成立了國(guó)家增材制造創(chuàng)新研究所(National Additive Manufacturing Innovation Institute，NAMII)，在2013年3月，該中心從其成員項(xiàng)目申報(bào)中遴選了首批7項(xiàng)研究資助項(xiàng)目，總金額950萬美元。在2014年1月，該中心又從其成員項(xiàng)目中選擇了15項(xiàng)進(jìn)行資助，總經(jīng)費(fèi)為1930萬美元。這些項(xiàng)目包括了3D打印材料、工藝、裝備與集成、質(zhì)量控制等方面，反映出美國(guó)在3D打印領(lǐng)域開展了廣泛的研究，產(chǎn)業(yè)布局較為完整；2013年6月，英國(guó)政府宣布將向18個(gè)創(chuàng)新型3D打印項(xiàng)目投入1470萬英鎊進(jìn)行資助，項(xiàng)目期限是1～3年；在2013年10月，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省設(shè)立了新物造研究工作組(Study Group on New Monodzukuri)，目的在于改變?nèi)毡驹?D打印技術(shù)方面落后于歐洲和美國(guó)的態(tài)勢(shì)，以增強(qiáng)日本的全球競(jìng)爭(zhēng)力。日本政府在2014年預(yù)算案中劃撥款40億日元用來實(shí)施以3D成形技術(shù)為核心的制造革命計(jì)劃，包括金屬材料3D打印設(shè)備的研發(fā)、精密3D打印系統(tǒng)技術(shù)的開發(fā)、3D打印零件的評(píng)價(jià)研究等。各國(guó)大力投入，促進(jìn)了3D打印技術(shù)快速發(fā)展。

3、國(guó)內(nèi)金屬材料3D打印技術(shù)發(fā)展情況

 國(guó)內(nèi)開展3D打印技術(shù)研究的時(shí)間基本與世界同步，目前開展3D打印技術(shù)研究的單位也很多，幾個(gè)領(lǐng)先的單位和高校的工作各有特色，在某些研究領(lǐng)域處于國(guó)際領(lǐng)先地位。20世紀(jì)90年代，西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等高校就開始了有關(guān)激光快速成形技術(shù)的研究。

 西北工業(yè)大學(xué)建立了激光快速成形系統(tǒng)，針對(duì)多種金屬材料開展了工藝實(shí)驗(yàn)，近年來西工大團(tuán)隊(duì)采用3D打印技術(shù)打印了最大尺寸3m、重達(dá)196kg的飛機(jī)鈦合金左上緣條；北京航空航天大學(xué)同樣在大尺寸鈦合金零件的3D打印方面開展了深入的研究，在“十一五”期間，采用激光熔融沉積方法制備出了大型鈦合金主承力結(jié)構(gòu)件；華中科技大學(xué)在激光選區(qū)熔化和激光選區(qū)燒結(jié)方面開展了很多工作，對(duì)金屬材料及高分子材料的3D打印進(jìn)行了研究，并且開發(fā)了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的SLM設(shè)備-HRPM系列粉末熔化成形設(shè)備；西安交通大學(xué)在生物醫(yī)學(xué)用內(nèi)置物的3D打印以及金屬材料的激光熔融沉積成形方面開展了工作，完成了多例骨科3D打印個(gè)性化修復(fù)的臨床案例，通過激光熔融沉積制備了發(fā)動(dòng)機(jī)葉片原型，最薄處可達(dá)0.8mm，并具有定向晶組織結(jié)構(gòu)。清華大學(xué)在國(guó)內(nèi)也較早地開展了3D打印技術(shù)研究，研究領(lǐng)域主要是在電子束選區(qū)熔化(EBM)技術(shù)方面，并且研發(fā)了相關(guān)的3D打印設(shè)備。

 國(guó)內(nèi)除了高校之外，許多研究所也在開展3D打印技術(shù)研究。西北有色金屬研究總院在電子束選區(qū)熔化工藝及設(shè)備研發(fā)方面進(jìn)行了研究，并開展了鈦合金、TiAl合金的電子束熔化成形工藝研究；中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空制造工程研究所開展了電子束熔絲沉積成形的研究工作，并具備此類設(shè)備的研發(fā)能力，采用這種方法已經(jīng)成形出2100mm×450mm×300mm鈦合金主承力結(jié)構(gòu)件；中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院近年來開展了激光熔融沉積成形的系統(tǒng)研究，發(fā)揮了航材院材料、工藝、檢測(cè)、失效分析等專業(yè)優(yōu)勢(shì)，成立了由多專業(yè)聯(lián)合參與的“3D打印研究與工程技術(shù)中心”，旨在推動(dòng)3D打印技術(shù)在航空、航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的快速應(yīng)用，特別在金屬基復(fù)合材料、梯度材料、超高溫結(jié)構(gòu)材料、航空關(guān)鍵件修復(fù)等方面開展了深入研究，部分成果已經(jīng)獲得應(yīng)用。

 為了推動(dòng)3D打印技術(shù)的快速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化，國(guó)家工信部2015年2月聯(lián)合發(fā)改委及財(cái)政部發(fā)布了《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃(2015～2016年)》，明確了中國(guó)3D打印技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)和方向，同時(shí)也指出中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)化仍處于起步階段，與先進(jìn)國(guó)家相比存在較大差距，尚未形成完整的產(chǎn)業(yè)體系，離實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化、工程化應(yīng)用還有一定距離。關(guān)鍵核心技術(shù)有待突破，裝備及核心器件、成形材料、工藝及軟件等產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，政策與標(biāo)準(zhǔn)體系有待建立，缺乏有效的協(xié)調(diào)推進(jìn)機(jī)制。

 3D打印也需要一個(gè)漫長(zhǎng)技術(shù)積累和驗(yàn)證過程，只有通過長(zhǎng)期、大量的應(yīng)用研究，發(fā)現(xiàn)和解決方法本身固有的問題，才能使3D打印技術(shù)的應(yīng)用不斷向廣度和深度發(fā)展。