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)用范圍不斷擴大。根據(jù)美國技術(shù)咨詢服務(wù)協(xié)會wohler的報告，全球3D打印市場持續(xù)增長，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。如此巨大的市場讓世界各國都十分重視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)用迅速擴大，未來具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
1、國外金屬材料3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀
在20世紀90年代，激光熔融沉積成形技術(shù)(LD—MD)首先在美國發(fā)展起來。約翰霍普金斯大學(xué)、賓州大學(xué)和MTS公司通過對鈦合金3D打印技術(shù)的研究，開發(fā)出一項以大功率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)、帶筋壁板等飛機零部件；美國Sandia國家實驗室采用該技術(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。成形過程所用時間相比傳統(tǒng)方法明顯縮短。2014年5月，美海軍在巴丹號航母上硬著艦了一架前起落架損壞的鷂式戰(zhàn)機，三個月后，“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。
同樣是在20世紀90年代，德國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，國外多家高校及研究所如德國亞琛工業(yè)大學(xué)、英國利茲大學(xué)、利物浦大學(xué)、比利時魯文大學(xué)、日本大阪大學(xué)以及英國焊接研究所、德國Fraunhofer激光技術(shù)研究所等得到了歐盟第六七框架計劃、德國研究基金等機構(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通用電氣航空集團收購了名叫Morris的3D打印企業(yè)，采用激光選區(qū)熔化3D打印技術(shù)為LEAP噴氣式發(fā)動機制造燃油噴嘴，目前GE航空集團已經(jīng)接受了超過4000臺LEAP噴氣式發(fā)動機的訂單，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，客戶包括國外許多工廠、高校及研究機構(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)動機復(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)動機葉片，引起了航空制造界廣泛關(guān)注。
2、國外政府對3D打印的支持情況
由于3D打印技術(shù)諸多優(yōu)點及其廣闊的市場前景，世界上多個國家都加大了對3D打印技術(shù)的投入。2012年8月美國撥款3000萬美元在俄亥俄州成立了國家增材制造創(chuàng)新研究所(National Additive Manufacturing Innovation Institute，NAMII)，在2013年3月，該中心從其成員項目申報中遴選了首批7項研究資助項目，總金額950萬美元。在2014年1月，該中心又從其成員項目中選擇了15項進行資助，總經(jīng)費為1930萬美元。這些項目包括了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，英國政府宣布將向18個創(chuàng)新型3D打印項目投入1470萬英鎊進行資助，項目期限是1～3年；在2013年10月，日本經(jīng)濟產(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的態(tài)勢，以增強日本的全球競爭力。日本政府在2014年預(yù)算案中劃撥款40億日元用來實施以3D成形技術(shù)為核心的制造革命計劃，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打印零件的評價研究等。各國大力投入，促進了3D打印技術(shù)快速發(fā)展。
3、國內(nèi)金屬材料3D打印技術(shù)發(fā)展情況
國內(nèi)開展3D打印技術(shù)研究的時間基本與世界同步，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)域處于國際領(lǐng)先地位。20世紀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)，針對多種金屬材料開展了工藝實驗，近年來西工大團隊采用3D打印技術(shù)打印了最大尺寸3m、重達196kg的飛機鈦合金左上緣條；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，對金屬材料及高分子材料的3D打印進行了研究，并且開發(fā)了擁有自主知識產(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打印個性化修復(fù)的臨床案例，通過激光熔融沉積制備了發(fā)動機葉片原型，最薄處可達0.8mm，并具有定向晶組織結(jié)構(gòu)。清華大學(xué)在國內(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；中國航空工業(yè)集團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；中國航空工業(yè)集團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、失效分析等專業(yè)優(yōu)勢，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3D打印技術(shù)的快速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化，國家工信部2015年2月聯(lián)合發(fā)改委及財政部發(fā)布了《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃(2015～2016年)》，明確了中國3D打印技術(shù)發(fā)展的目標和方向，同時也指出中國增材制造產(chǎn)業(yè)化仍處于起步階段，與先進國家相比存在較大差距，尚未形成完整的產(chǎn)業(yè)體系，離實現(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，政策與標準體系有待建立，缺乏有效的協(xié)調(diào)推進機制。
3D打印也需要一個漫長技術(shù)積累和驗證過程，只有通過長期、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。
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