近日，3D打印技术参考注意到，美国商务部国家标准与技术研究院NIST已授予纽约州立大学奥尔巴尼分校、奥本大学、科罗拉多矿业学院和通用电气研究院共370万美元赠款，用于推进金属增材制造标准化和测量科学研究，帮助解决目前和未来广泛采用金属增材制造技术的障碍。 美国商务部负责标准和技术的副部长兼NIST主任表示，“美国可以在制定测量和国际标准方面发挥主导作用，这将有助于加速采用这些重要的3D打印技术。为了在全球竞争，我们需要投资这样的项目，将我们在工业界、学术界和政府领域的最优秀人才聚集在一起，解决重要的技术挑战。” 在 NIST 基于金属增材制造资助计划下，美国将加快推进该领域的进步增材制造是通过基于3D计算机模型逐层构建零件的技术，大多数基于金属的增材工艺通过熔化或烧结粉末来成形零件，这种新的制造形式在性能、效率、速度和能力方面有可能优于传统制造工艺。但作为一项新技术，为了提高全球分布的增材制造装备制造能力的可重复性和可靠性，金属增材制造标准化是一项关键要求。 标准是企业产品生产的重要依据，是保证产品质量，提高产品市场竞争力的前提条件。行业和产品标准是产品质量的技术保障，同时也是技术和经济能力的综合反映。如今，标准已成为各国竞争的焦点之一，谁掌握了标准制定权，谁的技术转化为标准，谁就掌握了市场的主动权，谁就有说话的权利。这也是在美国封锁华为之后带给更多国人的启示。 目前，中国的3D打印机已有很多品牌出口欧美国家，从非金属类的光固化、熔融挤出、激光烧结到金属类的粉末床熔融，涉及的国内品牌包括纵维立方、RAYSHAPE、创想三维、华曙高科以及易加三维等等。尤其对于金属增材制造装备，欧美市场也已成为国内装备制造商的重要市场组成部分。 美国商务部指出，“增材制造具有减少材料浪费、降低能源强度、缩短上市时间和准时生产等优势，可以加强美国的供应链安全与稳定，加速采用新的测量方法和标准将有助于提升美国在这一重要行业的竞争力。” 在这种趋势下，中国企业后续将不得不执行美国制造标准才能继续开拓该市场。更关键的是，中国在目前多种新型金属增材制造工艺方面尚落后于美国，如以Velo3D为代表的无支撑金属3D打印，其融合了先进的监控手段和软件控制技术；以Seurat为代表的区域金属3D打印，其可以将超过200万点的激光聚焦在金属粉末床上，每个点的功率和持续时间完全可控，从而打造出生产级的全功能组件；以及以Desktop Metal为代表的粘结剂喷射金属3D打印，它在制造效率方面远远超出基于激光的制造速度，将制造成本大为降低。 几种中国缺少的先进金属增材制造工艺美国材料实验协会（ASTM）在增材制造技术的标准制定方面也具有相当高的效率，尤其是在金属增材制造技术方面。该组织已经推出了关于定向能量沉积、电弧增材制造等相关工艺的设计、材料、无损检测相关指南；去年11月推出了激光粉末床熔融增材制造设备的安装、操作和性能要求的认证原则；今年4月，推出了《评估增材制造工艺制造金属材料机械性能的标准指南》；将于8月推出金属粉末床熔融设计指南；目前正在制定金属粉末床熔融工艺的后处理指南、粉末材料中的水分检测指南以及工业增材制造场所的质量要求等。 ASTM正在着手建立粉末材料的水分检测指南美国商务部通过自己的研究和这些拨款，也在解决采用增材制造过程中的障碍，包括支持基于等效资格和基于模型资格的测量科学、材料表征以及支持一致数据交换/表征新的标准进步。 以下组织将获得NIST基于金属的增材制造赠款计划资金，并将在两年内使用： 纽约州立大学研究基金会——95. 7万美元 该项目的目标是展示一种增强的无损评估技术，该技术可以确定关键的材料特性，如氧化物厚度、飞溅颗粒百分比、晶粒尺寸和缺陷检测。 科罗拉多矿业学院——95.6万美元 该项目将研究新的光学计量技术，实现实时过程反馈和控制，从而实现基于过程的3D打印金属部件的鉴定和认证。 奥本大学——94.9万美元 该项目的目标是建立一个具有计算机视觉和机器学习功能的数据驱动框架，用于对因疲劳而无法承受故障的应用进行增材制造材料和零件的无损鉴定。 通用电气——87.3万美元 GE Research与 GE Additive和德克萨斯大学埃尔帕索分校合作建立了用于测试和评估的智能缝合集成 (I-SITE) 计划，以扩展现有标准化方法并建立传感器响应、材料行为和机械性能之间的相关性。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请依据转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.行业巨头云集Formnext增材制造展，多场重量级论坛，紧抓中国市场复苏机遇 2.工艺综述：金属增材制造技术的重要创新发展及代表性企业 3.超大装备 | 国内8家多激光、米级SLM金属3D打印机汇总 4.增材制造——ASTM/ISO/SAE/国内现行标准有哪些

摘要：增材制造作为新兴的制造技术，应用领域不断扩展，成为先进制造领域发展最快的技术方向之一；增材制造产业的发展为现代制造业的培育壮大以及传统制造业的转型升级提供了宝贵契机。本文在分析全球增材制造技术发展态势与产业发展动态的基础上，全面梳理了我国增材制造技术与产业的发展态势，剖析了我国增材制造产业面临的共性技术研究及基础器件能力不足、面向国际市场的专利布局滞后、产业规模与产业集群建设有待深化等问题。着眼增材制造产业前瞻布局，论证提出了生物医药与医疗器械增材制造、大型高性能复杂构件增材制造、空间增材制造、基于增材制造的结构创新与新材料发明等重点发展方向。研究建议：建立增材制造协同创新机制并支持企业开展应用创新，围绕重大装备需求开展增材制造工艺变革专项技术攻关，深化区域性增材制造产业集群建设。本文内容选自《中国工程科学》2022年第4期，作者：王磊、卢秉恒，转自国家增材制造创新中心。 一. 前言 当前，以增材制造（亦称 3D 打印）为代表的新制造技术，其基础研究、关键技术、产业孵化等都在快速发展。增材制造技术完全改变了产品的设计制造过程，被视为诸多领域科技创新的“加速器”、支撑制造业创新发展的关键基础技术；进一步改变了产品的生产模式，驱动定制化、个性化、分布式制造；通过云制造并与大数据技术结合，加快传统制造升级，实现制造的个性化、智能化、社会化；对制造业起到巨大的推动和颠覆性变革作用，助推航空、航天、能源、国防、汽车、生物医疗等领域核心制造技术的突破和跨越式发展。增材制造的技术与产业研究是国内外热点课题。美国麦肯锡咨询公司认为增材制造是决定2025年经济发展的12大颠覆技术之一，发布的《增材制造发展的主流化》探讨了增材制造40年发展历程，作出了增材制造将成为主流制造技术的判断。中国工程院战略性新兴产业项目组近年来持续关注增材制造产业发展动态，研讨了面向“十四五”时期及中长期的增材制造产业路线图。有研究指出，增材制造技术作为面向材料的制造技术，在聚合物、金属、陶瓷、玻璃、复合材料中仍普遍存在打印精度、打印尺度、打印速度难以兼顾的矛盾；在比较分析国内外增材制造产业的发展概况、宏观策略、典型应用的基础上，探讨了增材制造相关的标准体系、人才培育、行业趋势等。世界经济论坛等机构联合发布了《增材制造突破：可扩展化与克服关键挑战的操作指南》，认为未来10年3D打印的工业部件将大规模用于生产制造，阐述了新型冠状病毒肺炎（COVID-19）疫情防控与增材制造技术应用的关联性。 我国制造业面临着复杂的国际合作形势和激烈的产业竞争态势，高端装备制造产业发展难以避免地受到干扰，前沿技术与工程的自主发展面临潜在挑战；在进行高质量发展转型的过程中，需要坚定实施制造强国战略。需要注意到，尽管我国制造业对于以增材制造为代表的新制造技术推广应用具有较高的热度，但增材制造技术与产业相比世界先进水平仍有差距；国内多数制造企业还处于接触增材制造技术、开展探索应用阶段，没有达到全面掌握、转化应用、创造增量价值的目标；结合国情开展的增材制造技术规划与产业发展研究也不够深入和充分。针对于此，本文力求全面梳理增材制造技术与产业进展，剖析当前发展存在的问题，突出生物医药与医疗器械、大型高性能复杂构件、空间增材制造、结构创新与新材料发明等重点方向，以期为我国增材制造领域的技术攻关、产业升级、宏观策略等研究提供基础参考。 二、国际增材制造的技术和产业发展情况 （一）国际增材制造技术动态 世界范围内增材制造相关的新工艺、新原理、新材料、新应用不断涌现，4D打印、空间3D打印、电子3D打印、细胞3D打印、微纳3D打印等新概念层出不穷。针对工程塑料、陶瓷、树脂基纤维增强复合材料等的增材制造技术逐渐成熟，适用材料的种类与应用范围有所拓展，典型金属增材制造结构的力学性能趋于稳定甚至部分超过锻件性能（见表1）。高熵非晶合金等新种类合金材料的成分设计、材料基因组设计、多材料功能梯度结构、超材料结构、仿生材料及其结构、具有电磁屏蔽功能的复合材料结构、材料结构功能一体化设计、3D打印纳米结构、轴向立体光刻打印、4D 打印智能材料、活体细胞打印、极端环境下的增材制造及应用等创新型、交叉性技术研究进展明显。无支承金属成形、大幅面高能束密集阵列区域化选区熔化金属（或烧结尼龙）成型、金属摩擦沉积制造、混合制造、多机器人协作的大尺寸结构的增材制造等先进成形工艺获得突破。增材制件长周期服役的显微组织演变规律、人工智能检测成形过程缺陷、机器学习改进材料成分增强综合性能、耐高温合金材料组织 ‒ 性能的热处理调控工艺等前沿基础研究成果丰富。 在企业应用方面，增材制造技术赋予了零部件集成打印、轻量化、高效换热、新材料应用、多材料功能梯度结构设计等创新功能；正在规模化地集成到现有产品的制造流程甚至供应链中，革新传统制造方法并降低制造成本。一些优势制造企业建立了包括基于增材制造技术的创新结构（如拓扑优化、晶状点阵结构、结构功能一体化）设计能力，增材制造成形工艺控制、后处理及质量检测评价等在内的全流程技术体系。以德国弗劳恩霍夫应用研究促进协会为代表的一批研究机构，持续深化增材制造的工业化生产和智能化技术研究。 在标准建设方面，传统制造强国在增材制造技术方面进展较快，较多采用政府部门、高校、科研机构、企业、标准化机构组成标准化联盟，以国防装备、工程化场景应用需求为牵引，注重标准类基础研究的发展模式；以发布增材制造标准建设路线图的形式来推动相关建设，如《增材制造标准化路线图》（美国）《增材制造标准领航行动计划（2020—2022年）》（中国）。美国还发布了《增材制造标准化路线图差距进展报告》，推动解决增材制造标准化的实施问题。截至2022年3月，世界范围内发布、在编、拟编标准超过200项，已发布的标准涉及增材制造技术的术语和定义、数据格式、设计、材料、成形工艺、零件检测、装备产品、人员操作、安全、评估、修理、行业应用等方面；在航空、航天、汽车、焊接、船舶、计量、检测、印刷电路板、消费类3D打印、医疗、安全等领域/ 方向也开展了标准研究与制定。值得指出的是，增材制造的标准建设仍处于初期阶段，明显滞后于技术自身发展和产业推广需求。 在技术路线图方面，传统制造强国积极研究并发布各自版本。美国国防部发布了《增材制造路线图》（2016年），分为设计、材料、工艺、价值链四方面，面向维修与保障、部署与远征、新部件/系统采办3类应用范围，为实施合作、协调投资提供了基础框架。在欧盟资助下，增材制造行业技能战略联盟发布了《欧洲增材制造技能路线图》（2021年），明确了2030年前的应用需求及技术挑战，从消除增材制造技术差距的角度提出了目标和举措。我国在2019 年发布了面向2035年的增材制造路线图研究成果，梳理了中国增材制造技术的中长期发展方向。近期，我国学者综述了增材制造的设计方法、材料、工艺与设备、智能结构、生物结构、极端环境应用进展，认为当前的增材制造技术不能全面满足传统制造业的标准化、规模化生产需求，阐述了未来10年增材制造技术的研究路线图。 在科技论文与专利方面，近年来国际上与增材制造相关的数量迅猛上升，中国、美国、德国、韩国、日本是增材制造技术研究最为活跃的国家 [19]。将全球增材制造专利申请按照发明人国别、优先权国别进行排序（见图1）可见，美国仍保持了增材制造原创专利产出的重要地位，在增材制造核心技术方面的创新能力较强。 （二）国际增材制造产业动态 面向未来产业布局，制造强国实施积极的增材制造产业政策。例如，美国着眼于持续增强制造业创新能力和竞争力，通过顶层设计、战略规划来引领增材制造产业发展；组建国家增材制造创新机构，发布《国防部增材制造路线图》《增材制造标准化路线图》《国防部增材制造战略》等，启动增材制造推进计划“AM Forward”，协调推动增材制造在国防装备、先进制造业中的示范应用并形成产业生态。 国际增材制造产业从起步期转入成长期。随着技术成熟度提升、单位成本降低、产业配套能力增强，增材制造已经逐渐成为工业领域的主流制造方式，以综合效益（如成本、周期、轻量化等）改善促进了下游应用发展。行业领军企业规划了多种增材制造技术发展路线，采取加大资金投入、设立研发中心等形式布局增材制造软硬件及创新网络平台，快速推进商业化应用；超前应对增材制造相关产业的潜在竞争，在专利、标准方面进行布局，力求把握新型制造技术制高点，在民用飞机、发动机、医疗器械等装备制造方面取得创新发展。 国际增材制造产业链不断拓展。航空、航天、航海、能源动力、汽车与轨道交通、电子工业、模具制造、医疗健康、数字创意、建筑等领域的企业和服务厂商不断涌入这一新兴市场。增材制造技术在航空/ 航天发动机制造方面获得广泛应用，如航空发动机燃油喷嘴、传感器外壳、低压涡轮叶片等零件通过了适航认证并批量应用到商用航空发动机，涡轮机部件具备了批生产能力且金属增材制件的成本接近铸造。在汽车行业，增材制造技术应用覆盖原型设计、模具制造、批量化打印零件等。在数控机床产业链中，出现了配套有3D打印头的数控机床和机器人产品，将增材功能模块与减材设备（机床）、等材设备（铸锻焊、热处理）配套，形成各类制造功能的复合化；同时将增材制造装备作为工作母机产业链的一部分进行推广。增材制造在个性医疗器械生产方面应用广泛，如新型3D打印医疗器械产品趋于多样化，从生物假体制造扩展至细胞、组织、器官的打印；还可用于制造医用机器人。优势企业将增材制造装备、高端机床、智能工业机器人引入生产线，部分实现了混线生产，在生产效率、质量控制、柔性生产等方面提高了市场竞争力。 国际增材制造产业增长态势良好，包括设备、材料、服务在内的综合增长率超过20%，金属增材制造的年复合增长率超过30%；2021年市场规模为152亿美元（同比增长19.5%），其中材料产业规模为26亿美元（同比增长23.4%）。增材制造市场竞争格局相对集中，美国、中国占据着主要市场（前者占比为34.4%，后者占比为10.8%）；预计增材制造装备市场仍将保持快速增长。 也要注意到，受国际形势、COVID-19 疫情、各国政策导向的影响，主要国家之间的高端装备制造业竞争格局正在出现调整；大型装备企业倾向于采用兼并收购、服务增值等方式提升核心竞争力，将促进形成增材制造新产业链格局。跨国企业主导区域内的供应链布局调整，供应链逐渐缩短将成为新趋势；各国应对气候变化、实施碳减排所采取的积极措施，也将推动全球范围内产业链加速重构，呈现产业链趋于完整、供应链多元化、产业分工区域化等趋势。未来15年，制造业各领域原有的供应链体系将被打断并进行重组，考虑到技术成熟带来的单位成本效益、本地打印制造的零件相比全球制造中心提供的零件更具成本效益，增材制造有望改变全球制造产业链的价值结构。因此，未来增材制造产业规模有望进一步扩大。 三、我国增材制造技术开发和产业发展的现状及面临问题 （一）我国增材制造技术进展 我国初步建立了涵盖3D打印材料、工艺、装备技术到重大工程应用的全链条增材制造技术创新体系，相关技术研究涉及从光固化材料的原型制造（产品开发）到大尺寸金属材料的增减材一体化制造（装备应用）的完整环节，包括各类工艺的增材制造装备与增材制造数据处理、各类成形工艺的路径规划软件、模拟增材制造过程物理化学变化的数字仿真软件、数字孪生体建模仿真、空间原位增材制造等。工程应用技术拓展至工业领域的产品装备创新、工业领域高价值部件的再制造修复、重大装备的原位修复与制造等。在医疗领域，生物医疗3D打印成为精准医疗、康复保健研究的前沿技术，相应产品以面向患者的定制化解决方案，增材制造的康复器具、手术导航以及医疗植入物等为代表，极具应用前景。 “十三五”时期以来，完成了10多类关键部件（如超高速激光熔覆头、电子枪、微滴喷射打印头）的技术攻关和自主生产，体现了核心部件的良好研制进展。开发的光内送粉等20余种规格的激光熔覆喷头，适用于1~20 kW激光直接能量沉积，在电机转子、风机转子等动力部件的增材修复中获得应用。激光加热阴极电子枪、大尺寸数字式动态聚焦扫描系统、在线检测系统等打破了国外公司的技术壁垒，国产3kW六硼化镧单晶阴极电子枪的阴极寿命提升至800h；相关的电子枪及动态聚焦扫描系统配置于国产大幅面阵列式电子束选区熔化装备。 通过持续努力，我国增材制造技术研究在工艺与装备稳定性、精度控制、变形与应力调控等方面取得良好进展，大幅面动态铺粉的旋转粉末床增材制造装备、新一代高性能难加工合金大型复杂构件增减材制造装备等系列产品研制成功并投入应用。目前，增材制造技术在航空、航天、动力、能源领域的高端装备制造方面获得了广泛认可，如采用激光熔覆沉积技术实现了投影面积达到16㎡的飞机发动机承力框、起落架的增材制造，解决了传统方法难以处理的复杂结构、功能集成整体制造难题；采用多丝协同的电弧熔丝增减材工艺装备，实现了10m尺寸级高强铝合金运载火箭连接环样件制造；开发了“融铸锻焊”一体化的创新工艺。此外，工业级颗粒料熔融挤出成型、树脂及陶瓷浆料的光固化成型、金属激光熔融沉积成型 [23]、等离子束/电弧熔丝成型、大幅面激光选区熔化成型、增减材混合制造等装备实现了稳定的工业级应用；金属黏合剂喷射3D打印技术能够改善自身结构力学性能的不足，有望走向低成本、批量化应用。 科研院所、装备制造企业与下游用户组成“产学研”联合体，协同开展大尺寸金属增材制件的成形工艺与装备、检测技术、标准的研制。装备企业积极推动增材制造技术在结构优化设计、材料、装备、工艺、检测评价等环节融入现有制造体系，提升新型号制造保障能力；开展复杂异形构件研制及批产工作，带动成熟的航天动力型号演进升级。以火箭发动机部件的增材制造为示范，掌握了钛合金、高温合金、不锈钢、铝合金、铜合金5类合金共16种牌号材料的应用特性，实现了材料经热处理后5类力学性能指标与同成分锻件水平相当的目标；研究的材料种类覆盖70%以上的常用铸/ 锻件难加工材料，实现了200余种产品的增材制造成形（含通过试车考核的90余种构件、批量交付的30余种构件）。 （二）我国增材制造产业进展 我国形成了国家级、省级、重要行业的增材制造创新中心协同布局，骨干企业率先发展的创新网络与产业生态体系；增材制造产业链的各环节，包括原材料、关键零部件配套、装备研制、共性技术研发平台、应用服务商以及各应用领域，都在快速发展。我国消费级增材制造产业规模全球领先。在高性能金属增材制造原材料及其生产装备方面，基本实现了国产化替代，具有批量化供应和成本竞争优势；核心器件及零部件的国产化进程加速，在国产中低端装备上实现了规模化配套；高性能金属增材制造装备基本突破了规模化、产业化瓶颈，5轴增减材混合制造装备已实现商用。增材制造砂型成为铸造行业转型升级突破口，建成万吨级铸造3D打印制造工厂；实现新型飞机研制过程中的增材制造结构件占比超过3%，建成火箭发动机零组件的智能生产车间。此外，国家药品监督管理局成立了医用增材制造技术医疗器械标准化技术归口单位，围绕增材制造医疗器械软件、设备、原材料、工艺控制等，制定标准和规范，保障产业发展；针对多款增材制造产品批准了医疗器械注册证，医用增材制造产品的临床应用案例超过1×10000个，一批医用增材制造产品（如3D打印可降解支架）进入了动物实验、个例临床试验阶段。 我国增材制造产业规模稳步增长。中国增材制造产业联盟数据表明，2021年我国增材制造产业规模为265亿元，30%的增速超出世界平均水平约10个百分点。增材制造产业链上的大、中、小企业融通发展格局显现，国内增材制造设备供应商积极从跟随状态转向自主创新发展，龙头企业具备了参与国际市场竞争的技术能力。以京津冀地区、长江三角洲（长三角）地区、珠江三角洲（珠三角）地区为核心，中西部地区为纽带的增材制造产业发展的地域空间格局基本形成，区域性产业链集聚优势逐步体现。 为应对国际市场与技术交流的形势变化，促进我国增材制造产业链的健康发展，产业界积极推动增材制造“产学研用”协同发展模式，补齐产业链薄弱环节，突破关键技术瓶颈。增材制造产业链的上、中、下游机构与企业紧密合作：下游的用户从需求出发解决了合适的技术来源，上游的增材制造原材料生产与销售商、中游的增材制造设备与打印产品服务厂商明确了技术开发重点及市场方向。例如，航空、航天、核电、医疗领域的用户，与国内相关企事业单位组成技术攻关联合体，开展增材制件的实验验证与认证工作，实现国产材料、工艺装备在各领域的“能用、敢用、规模化应用”。 未来经济发展的良好预期以及超大规模的内需市场，是我国战略性新兴产业发展的根本动力。“3D打印+”正在向汽车、模具、精准医疗、新能源、再制造等制造业的细分方向、社会生活的多个方面深入发展。随着增材制造技术成熟度的提升，材料及生产成本的持续下降，增材制造技术的应用范围及产业规模有望进一步拓展，增材制造、减材制造、等材制造将逐渐在制造业价值链上形成“三分天下”格局。 （三）我国增材制造技术与产业发展存在的问题 1.共性技术研究及基础器件能力存在不足 增材制造产业的高质量发展，依赖于关键技术的全面突破、技术体系成熟度的综合提升，表现在扩展材料种类、改善成形效率、革新质量控制手段、降低综合成本。我国增材制造产业尽管增速较快，但原始创新能力依然不强，基础共性技术、基础器件配套能力、产业前沿技术研究差距客观存在，工业软件及核心器件的国产配套能力不足，部分核心关键技术受制于人。高端增材制造装备使用的核心元器件（如打印头、激光器、长寿命电子枪、扫描振镜、微滴喷头、精密光学器件等）、关键零部件、商业化工业软件较多依赖进口；部分激光器、扫描器件已完成自主研制，但配套应用规模较小，品质与可靠性有待提高。国产高端金属成形装备在专用工艺包开发与成型精度方面较世界先进水平仍有差距。 增材制造行业的共性关键技术支撑能力有所不足，成为规模化应用的瓶颈环节。增材制造涉及学科众多、应用领域宽广，导致基础理论研究、应用基础研究、学科交叉研究繁重而迫切。尤其是在民航、轨道交通、核电、医疗等行业，因严格监管而面临严格的产品准入要求，但面向产品全生命周期（设计、制造、经销、服役用、维修保养、回收/再用处置）的质量保证与认证研究仍处于初期阶段，不利于增材制造技术及产品的推广应用。与基础数据缺乏、标准建设滞后的整体态势类似，增材制造高性能专用材料及其成形工艺包等基础数据的积累较少，标准及质量评价体系不完整。特别是面向各领域应用的缺陷检测及质量评价技术研究不足，导致增材制件在复杂工况/环境服役的可靠性数数据偏少，增材制件在高温、超高压、深冷、复杂腐蚀等极端条件下的缺陷检验检测与临界失效预测预警技术，系统工程风险评估技术，超期服役、长周期运行的结构完整性评价技术等均有待突破，制约了增材制造产业的规模化发展。 2.面向国际市场的专利布局滞后 面向国际市场开展专利布局，才能保障我国增材制造产业的未来竞争力。美国、德国、日本、韩国都高度重视专利布局并偏重国际市场，如德国籍专利发明人申请的专利有66.2%的在国外申请，日本的海外专利占比达到48.4%。相比之下，我国专利申请人的专利布局重点仍局限于本土，如国内申请的专利占总量的97.8%，即仅有2.2%的专利瞄准海外布局。因此，发达国家构建的专利壁垒对我国企业在增材制造、激光制造领域的投入及研究产生了明显干扰。拥有核心自主知识产权体系，是打破国外技术壁垒与封锁的依托，也是壮大国内增材制造产业的核心环节。在增材制造领域日益激烈的国际市场竞争背景下，我国增材制造技术专利的保护力度相对不足，信息与技术的市场化共享渠道不畅；应把握增材制造技术的国际制高点，以更大力度实施相关专利的海外市场布局，化解增材制造产业国际化的发展风险。 3. 产业规模与产业集群建设有待深化 我国增材制造产业初步形成了完整的生态链，构建了产业链、供应链风险的应对机制，但客观来看仍存在分布不集中、企业规模小、综合竞争力弱等问题。“专精特新”企业数量少、成立时间短，研发强度和市场竞争力在短期内离不开产业政策扶持；各应用领域的示范推广和商业应用规模仍待发展，国际化仅处于起步阶段。工业企业除了因成本控制而限制推广规模之外，对增材制造技术的认识仍不够深入，实施创新应用的开拓能力不足；多是沿用国外案例经验或由市场竞争倒逼，偏好短期规模效益、跟随市场热点进行重复投资，而对技术创新难度大的产品缺乏持续投入动力。现有的增材制造产业集群呈现“小集中、大分散”分布特征，产业链过于围绕中游（增材制造装备）展开；通用技术薄弱、创新能力体系不强、人才与研发经费保障不充分、行业利润不足以支撑可持续发展，成为增材制造行业面临的共性问题。 跨部门和区域的协调发展机制不完善，各省份的产业链规划互补性弱，部分增材制造产业园区同质化竞争现象严重；地区之间的抢链风险和局部市场壁垒问题，阻碍了增材制造产业链的优质发展。在区域内，大型企业的独立性较高，业务覆盖原材料、装备、应用等环节，几乎包揽所有研发与生产任务，小型企业尤其是初创公司难以参与配套的发展模式有待革新。国有企业在设备采购中过分强调业绩记录，导致自主创新技术不易获得应用实践机会。因此，增材制造产业集群的发展水平和发展质量不平衡问题较为突出，亟待破解。 四、面向未来的增材制造技术与产业前瞻布局 （一）生物医药与医疗器械增材制造 生物医药产业、新型治疗技术的发展，对生物医药与医疗器械制造技术提出更高要求。增材制造是实现个性化诊疗方案与植入物制造的关键技术。在当前3D打印应用于精准医疗的基础上，继续完善医用增材制造产品的认证标准、法规、评价体系，创新发展高效增材制造的新工艺、新技术、新装备：基于3D打印技术，发展受控释放的药物制剂打印产品，制造满足生物相容性的骨科植入物以及基于可降解材料的打印产品；发展基于生长因子的3D打印技术，形成人体器官再造的重大突破；探索体内原位打印修复技术，为骨缺损临床修复填充、部分功能器官修复提供新手段。针对社会老龄化现象，基于增材制造技术研究人体老化器官功能再生方案，延长人类的健康寿命、提升人类的生活质量，从而取得生命科学的重大创新成果，开创规模化的新兴产业。 （二）大型高性能复杂构件的增材制造 瞄准航空、航天、船舶、核能等领域重大装备的发展需求，突破大型复杂精密构件研发生产的“卡脖子”技术环节，如高性能铝合金、钛合金、船用钢、高温难熔难加工合金、复合材料等材料的大型复杂构件高效增材制造工艺，系列化的工程成套装备性能控制及质量评价、检测标准认证与工程化应用等；重点攻关大型高性能复杂构件制造的组织性能调控、在线质量检测、服役性能预测、装备集成与可靠性等技术。以增材制造技术的应用提升来推动重点工程、重大装备的建设突破，提升相关产品的研制水平和更新换代能力。 （三）空间增材制造 在形成空间新材料、新装备、新工艺、新应用，提高空间活动能力，增强空间开发利用优势方面具有重要价值。面向工程实际需求，针对宇航器、空间站、卫星的在轨制造与维修，太阳能电池阵列、天线、光学系统等大型空间结构的在轨制造与组装，外星球基地建设等长远发展规划，着力提升空间增材制造技术。系统级的研究布局有舱内微重力环境下的增材制造技术与装备、适应舱外极端环境的新材料成形技术与装备、空间巨型结构的多方位增材制造技术、在轨制造工厂。突破真空微重力环境下的金属冶金与部件原位修复，轻质金属及新合金的原位增材制造，复合材料空间增材制造，多材料、多功能器件的空间增材制造，生物器官的空间增材制造等技术，构建在轨制造技术体系。此外，利用外星物质进行新合金原位冶金及增材制造、月壤基地3D打印等也是亟待发展的大规模空间开发支撑技术。以空间增材制造技术的基础研究为突破口，快速转化应用能力，探索商业应用示范。未来结合民用、商业、国防需求，开辟新的制造体系、人类新的制造基地，为解决地外资源原位利用、拓展人类地外持续生存与活动能力提供战略性保障。 （四）基于增材制造的结构创新与新材料发明 面向能源领域发展需求，基于增材制造技术的创新设计将显著缩小换热器结构，支持小型化、模块化、可移动的核电小堆装备工程化开发，为核电安全性提升及潜在的电力供应安全提供保障；研究堆芯燃料组件、核主泵、换热器、热电转换等关键结构的创新设计，新材料及相应的增材制造技术，探索增材制造在线增强增韧技术，提高增材制件的复杂工况服役性能，超前布局并构建核电行业增材制造标准及质量评价体系。针对前沿新材料，发挥增材制造技术在材料基因组设计新合金、多材料及功能复合材料构件制造方面的平台技术作用，研究基于增材制造的新材料合成技术、新材料增材制造工艺及其应用，形成高端装备用特种合金、电子打印材料、生物医用材料、智能仿生材料、高性能纤维复合材料、高性能陶瓷基复合材料、新型合金材料等；依托增材制造技术，构建新材料发明的创新体系，提升材料研发能力和新材料产业竞争力。 五、我国增材制造技术与产业发展建议 （一）建立增材制造协同创新机制并支持企业开展应用创新 建议以国家整体目标、产业发展需求为导向，统筹正在规划建设、以各类创新中心为代表的国家战略科技力量；在增材制造重点领域给予连续性政策支持，借鉴国际先进科研机构的管理模式与经验，构建稳定适用的团队管理模式，兼顾科研团队的稳定发展与分工协同。建立由国家级科研机构、产业联盟、第三方机构组成的产业链安全预警机制，加强增材制造前沿技术与产业发展的战略研究，制定增材制造工业基础能力与关键共性技术提升计划、发展目录、标准开发以及增材制造技术与产业发展路线图。建设各类科研机构、科研项目的协同机制，开展增材制造产业基础与关键共性技术研究，支持解决前沿技术和创新成果的工程转化难题，为装备制造行业的产业链高级化、产业链现代化提供坚实支撑。 建议制定鼓励企业应用自主技术产品的奖励和补助政策、符合技术创新规律的新型科技机构考核与管理办法。明确考核导向，提高技术创新在考核中的比重，分类考核长期研发投入和产出，形成长期扶持、鼓励创新、宽容失败的考核机制，激发企业创新动力；引导企业从依靠过度资源消耗、低性能/低成本竞争模式转向依靠技术与应用创新、实施差别化竞争模式，提升中国制造行业的国际竞争力。 （二）围绕重大装备需求开展增材制造工艺变革专项技术攻关 围绕国防重大战略需求、国际前沿竞争需要，开展重大装备发展的顶层设计，从原始创新、新材料、核心器件、工业软件、高端装备、创新应用等方面着手，强化增材制造技术创新体系。建议设立增材制造工艺变革科技专项（简称“科技专项”），建设用户牵头、多元主体参与的协同机制并形成“产学研用”联合体；建设增材制造产业链的产品质量保障体系，覆盖原材料规范、成形精度、生产效率、专用软件、制造装备、后处理、检测检验、标准等；破解增材制造产业链的技术瓶颈环节，为重大装备制造提供配套技术支撑。 科技专项将重点支持增材制造在重大装备研发与生产单位中的技术扩散和产业化应用，推动国产的材料、软件、器件、制造装备、应用工艺流程等全链条技术在大型飞机及无人机、航空/航天发动机、重型运载火箭、空间飞行器、汽车、医疗器械、海洋装备等工程装备及关键部件整体化制造中的应用示范，培育并提升中小企业在增材制造产业链中的参与程度。科技专项将重点引导增材制造技术在真实场景中的加速应用及技术迭代，建设面向应用对象的增材制造全工艺流程基础数据库，适应技术研究、性能验证、产品研制的实际需要；在深层次解决国产材料、关键功能部件、工业软件等产业配套问题的同时，实质性提升增材制造关键技术与装备的国产化能力及国际市场竞争力。 （三）深化区域性增材制造产业集群建设把握国际高端装备产业创新发展趋势与规律，立足国情实际与装备需求，优化顶层设计并统筹区域性增材制造产业发展规划。针对增材制造创新链和产业链的技术密集、资金密集、人才密集特点，建议整合各地区的优势科技资源与先进制造产业链资源，高效推动“3D 打印+”细分行业的协调发展。围绕世界级产业集群建设目标，以京津冀地区、长三角地区、珠三角地区、中西部地区的增材制造产业优势聚集区为基础，推进增材制造技术与各地区优势产业链、供应链的深度融合；打破不合理的地区限制和隐性壁垒，推动产业链、供应链的跨区域协同发展，形成具有国际竞争优势的中国增材制造产业链生态。 建议成立由管理部门、创新平台、企业用户共同参与的增材制造产业链“双链主”，在整机及关键功能部件、应用创新方面提供必要支持，实施技术攻关和应用示范，实现增材制造产业链与区域内各应用行业产业链的协同发展。合理给予税收优惠或金融支持，引导中小企业向“专精特新”方向成长，支持深耕基础零部件、材料、元器件、传感器、工业软件、专用装备等细分领域，以差异化发展实现产业链提升。鼓励各类企业采取投资入股、联合投资等方式，与增材制造创新平台开展深度合作，实现创新资源高效整合、创新驱动产业发展。推动各领域的重点企业加大国产增材制造装备、国产器件的应用力度，推动军民技术的一体化发展，以应用创新促进能力提升。 注：本文内容来自国家增材制造创新中心。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.上百家3D打印企业！9月14-16日Formnext展览会解锁增材智造新技能！…

在《金属增材制造过程中的缺陷种类及产生原因》一文中，3D打印技术参考介绍了香港理工大学、西北工业大学和香港中文大学的研究人员提出的粉末基增材制造金属和合金中多尺度缺陷的类型，包括尺寸缺陷、表面质量缺陷、显微组织缺陷以及成分缺陷。为进一步提升PBF金属部件机械性能及表面质量，本文将对这些缺陷对性能的影响及控制方法进行阐述。 不同缺陷对性能的影响 1. 宏观残余应力的影响 残余应力引起的零件变形将直接影响零件性能、使用性能，并可能进一步影响3D打印零件和结构的关键应用。打印过程中出现局部变形，可能导致粉末无法均匀铺展，甚至在打印过程中损坏刮刀及整个部件。此外，即使变形值在允许范围内，宏观残余应力仍可能使材料的力学性能和部件的性能变差。此外，在部件的长期使用过程中，残余应力会导致疲劳裂纹、脆性断裂和应力腐蚀失效。 (a, b) SLM打印的Ti6Al4V 和 (c, d) SS316L 在不同条件下的裂纹扩展曲线，裂纹扩展方向 (a, c) 垂直于BD，(b, d) 平行于BD残余应力对SLM打印的Ti6Al4V疲劳裂纹扩展行为的影响研究发现，由于存在拉伸残余应力，打印部件的疲劳裂纹扩展速率更大。相比之下，铸造、β-退火和锻造材料中存在较低甚至没有残余应力，疲劳裂纹扩展速率较低。在800°C下对SLM打印的TiAl6V4进行热处理，发现残余应力从打印状态下的超过200 MPa大大降低到小于10 MPa。同时发现，残余应力对拉伸性能没有显著影响，热处理后疲劳裂纹扩展行为明显改善，强调了残余应力的作用。然而另有研究发现，由于材料的高延展性，高周疲劳状态下的疲劳行为和SLM打印的316L的疲劳裂纹扩展不受工艺引起的内应力的明显影响。这两个相互矛盾的发现表明残余应力对疲劳寿命的作用一般由基材的性质决定。 2. 表面缺陷的影响 尽管3D打印的医疗植入物较高的表面粗糙度可以促进骨骼生长，但由于应力集中和裂纹萌生，打印部件的机械性能，尤其是疲劳性能，可能会恶化。多项研究发现，表面粗糙度是对3D打印部件疲劳性能产生影响的主要因素。 研究人员对EBM和SLM打印的Ti6Al4V疲劳寿命研究发现，平均疲劳寿命随着最大表面粗糙度的增加而降低。电火花加工后的样品显示出降低的表面粗糙度和提高的疲劳寿命。此外，EBM由于表面粗糙度最高，材料的疲劳寿命最低。 表面缺陷对扭转或多轴疲劳行为的作用也较为关键。研究表明，打印部件的粗糙表面对多轴载荷条件下的疲劳寿命有不利影响，包括轴向、扭转和扭转-轴向组合情况。表面加工可以显著提高疲劳寿命。然而，在某些情况下，由于部件过于复杂，机加工等手段几乎不可能使粗糙表面变光滑。因此，控制3D打印工艺来优化表面质量显得尤为重要。 3. 微观结构缺陷的影响 普遍认为，内部裂纹和气孔对机械性能有害。该规则适用于传统铸造工艺和现代增材制造技术。3D打印金属部件中的热裂纹和固态裂纹都不适用于工业应用，因为这些裂纹可能会在静态或动态加载条件下引起过度的应力集中，导致裂纹的生长和扩展，使抗拉强度和抗疲劳性变差。然而，目前缺乏工艺诱发裂纹对零件性能影响的定量研究，这可能归因于其他固有缺陷的共存，如内部孔隙。 (a)具有不同设计孔径的SLM制造SS316L的延展性 (b) Ti6Al4V极限抗拉强度(c)气孔和 (d) LoF孔引起疲劳的证据对于内部孔隙，有研究认为当孔隙由小孔模式熔融引起，且孔隙率小于1%时对力学性能无害。然而，孔隙率进一步增加往往会导致部件的屈服强度和伸长率降低或分散，这已在研究界得到广泛认同。此外，有学者表示，单独的孔隙率指标不能很好地与3D打印金属部件的拉伸性能产生直接关联，孔隙的频率、尺寸、形态和方向对零件的拉伸性能都有关键影响。 另一方面，内部孔隙对3D打印金属部件的疲劳性能也有明显影响。由于缺陷尺寸不同，未熔合孔隙比气孔对疲劳寿命的危害更大。研究发现，铝合金的疲劳强度高度依赖于孔隙率和未熔合缺陷，疲劳寿命受垂直于加载方向的裂纹状孔隙控制，这些孔隙可能会受到应力集中并引发疲劳裂纹。总之，内部气孔的存在促进了疲劳裂纹的萌生，降低了疲劳性能。然而，内部孔隙，尤其是气孔，是增材制造工艺的固有特征，难以完全消除。柱状晶粒对性能的影响发现，机械性能的各向异性可能源于柱状晶粒，这对施加多向应力的应用是有害的。SLM制造的垂直试样的屈服强度低于水平试样，相比之下，垂直试样的延展性明显高于水平样品，这是因为沿垂直排列的晶界可以容忍更多的损伤，导致更大的塑性变形。 (a) SLM垂直和水平打印SS316L的应力-应变曲线(b)应变硬化行为；(c)载荷沿BD方向和(d)垂直于BD方向EBM打印的In718的低周疲劳行为；（e）垂直BD方向加载和（f）平行BD方向加载条件下的损伤容限示意图 此外，织构柱状晶粒引起的疲劳性能也显示出各向异性，具有柱状晶粒的不同材料零件疲劳裂纹扩展速率具有不同趋势。目前对由柱状晶粒引起的各向异性疲劳裂纹扩展行为的潜在机制的理解仍然模棱两可。 4. 成分缺陷的影响 微偏析也会对机械性能造成不利影响。由于偏析导致的非期望相在 出现在材料中，会导致疲劳性能下降等，对机械和功能性能产生负面影响。 (a) SLM打印的SS316L与铸造和锻造样品相比的应力-应变曲线；(b)不同微观结构特征对打印态和退火的SLM SS316L硬度的贡献；(c) SLM打印的SS316L的屈服强度作为相场模拟预测的Cr浓度的函数；(d) DED SS316L的估计屈服强度作为 GND 密度的函数，以突出微偏析的贡献 不过，微偏析和位错单元可能共同形成独特的蜂窝结构，这对力学性能有时有益，特别是对屈服强度和延展性。高密度位错可以通过捕获位错滑移和变形缠绕来明显强化材料。此外，隔离区域中的化学错配会产生相干应力，这也会阻碍位错运动。 对不同缺陷的控制方法 1. 残余应力控制 控制成形部件内部的残余应力和变形可有效提高成形部件的精度和质量。残余应力消除主要通过热处理来实现，热处理按照其加工过程可分为：(1) 原位热处理；(2) 传统热处理。 原位热处理主要是通过设置更为合理的过程参数 (如改变扫描策略)，降低成形过程熔池与凝固组织间的温度梯度和冷却速度，在成形平面产生更为均匀的热分布。此外，传统热处理也可被用来消除成形部件内部的残余应力和提高孔隙率，但在处理过程中应注意设置合理的保护气氛以防止活性金属氧化。此外，近年来有研究人员将超声强化、激光冲击强化等新型手段与增材制造相结合，促使成形部件内部残余应力转变为有益的拉应力，极大地增加了金属部件的疲劳性能。 2. 表面缺陷控制 降低铺粉层厚可有效减少台阶效应对于成形部件表面精度的影响，但同时会延长打印时间，增加打印成本。此外，打印过程中合适的摆放位置。现有研究表明成形方向与打印生长方向夹角小于30°可有效抑制台阶效应对于成形样品表面精度的影响。未熔粉末和球化效应所引起缺陷可通过调控过程参数来进行调整和优化。为提高表面光洁度，可筛分出粒度分布较为集中的粉末颗粒进行打印。采用较低的扫描速度和较高的激光功率可有望实现粉末完全熔化，消除球化缺陷，降低表面粗糙度。然而，过多的能量输入也可能导致热应力和冷却速度不均匀造成部件变形等缺陷。因此，需对工艺参数进行广泛研究，优化各种工艺参数，包括激光功率、扫描速度和舱口距离等，以达到粉末完全熔化条件。   (a, b) 表面粗糙度作为分析粗糙度模型预测的倾斜角和颗粒分数的函数；(c) 多层 PBF 工艺模拟的侧面，以及 (d) 实验和预测侧面粗糙度的比较 此外，为降低金属增材制造部件表面粗糙度，对于结构简单的金属部件，可采用常规机械光整加工方法对于成形部件进行加工处理，如：机械抛光等。但传统加工技术难以对增材制造复杂结构部件表面进行有效处理。对于具有复杂结构的异形金属部件，常采用化学抛光、磨粒流抛光等先进物理、化学抛光方法进行处理。 3. 微观组织缺陷控制 微观组织缺陷控制主要通过合金成分设计和过程参数控制来实现。通过在打印体系中添加新型合金元素或增强相颗粒，可有效改善部件加工性能，消除缺陷，提高打印质量和材料性能。目前，用于裂纹敏感合金的附加陶瓷颗粒包括氧化物( Al2O3 ,…

金属材料增材制造技术的出现极大地扩展了人类设计及加工金属材料部件的自由度，使人类第一次拥有了直接、快速成形具有高性能、复杂几何形状结构金属部件的能力。21世纪初至今，金属增材制造技术快速发展，已广泛应用于航空航天、生物医疗、汽车制造等工业领域。目前，金属增材制造技术按照其送料方式不同可分为粉床熔融式(PBF)和直接能量沉积式(DED)增材制造。PBF技术主要代表有激光选区熔化成形(SLM)及电子束选区熔化成形(EBM)。DED技术主要可分为激光近净成形(LENS)、送丝激光(WLAM)/电子束(WEBAM)增材制造。其中，DED技术直接将熔融金属沉积在下层已凝固金属表面，不受成形尺寸限制，在成形大尺寸构件方面具有独特优势，但成形精度、表面质量均较差，需二次后续加工。PBF技术因其具有较高的精度和表面质量常用来成形具有较高质量要求的复杂异形结构部件，是目前主流金属增材制造技术。 PBF金属部件内部多尺度缺陷分类 PBF增材制造部件性能与其表面质量和显微组织密切相关，主要受到材料特性(粉末粒径、球形度等)、设计合理性、打印参数(扫描速度、功率、扫描间距，铺粉层厚等)及系统设置(保护气氛、预热温度等)的影响。上述参数设置不合理均有可能导致成形部件内部缺陷的形成，例如孔隙、裂纹等缺陷。近日，香港理工大学、西北工业大学和香港中文大学的研究人员提出了粉末基增材制造金属和合金中多尺度缺陷的类型、形成机制、危害以及控制方法。PBF金属部件内部缺陷可根据尺寸分为三类：(1) 尺寸缺陷；(2) 表面质量缺陷；(3) 显微组织缺陷；(4) 成分缺陷。为进一步提升PBF金属部件机械性能及表面质量，需对缺陷形成机理及缺陷对成形部件性能影响进行深入探究。 1. 尺寸/几何缺陷 尺寸缺陷主要来源于成形部件几何尺寸与所用CAD模型尺寸的几何偏差，主要包括部件分层开裂和尺寸变形。由于PBF技术逐层叠加成形的独特工艺模式，成形部件极易沿成形高度方向产生开裂缺陷。 典型尺寸缺陷：(a) 翘曲变形；(2) 分层开裂；(3) 开裂；(4) 悬臂梁变形尺寸分布；(5) SLM成形TC4合金残余应力随扫描距离变化曲线；(6) 成形件尺寸误差与铺粉层厚关系曲线 成形件尺寸变形和分层开裂主要是由内部残余应力引起的，残余应力主要来源于零件在热循环过程中的极端温度梯度、不均匀膨胀和非弹性应变。打印参数(激光功率、扫描速度、层厚和扫描策略等)对残余应力存在较大影响。扫描速度和激光功率增加将增大成形过程中的温度梯度，进而增加成形部件内部残余应力，增大部件变形趋势。铺粉层厚增加可在提升成形效率的同时降低成形件内部的残余应力，降低部件开裂趋势，但极易在部件内部形成未熔孔隙缺陷。此外，在复杂部件成形过程中，支撑结构的选择和添加对于成形部件几何尺寸精度至关重要，且支撑部件与粉末层间所存在的导电性能、保温性能差异也极易在成形部件内部生成残余应力。 2. 表面缺陷 表面缺陷是指成形部件表面与CAD模型部件理想轮廓存在差异。表面缺陷主要分为：(1) 台阶效应；(2) 未熔粉末；(3) 球化效应；(4) 表面裂纹。这些缺陷的存在导致成形部件表面粗糙度升高，表面质量和精度低于传统机械加工部件，严重限制了增材制造金属部件在工业领域的进一步应用。 表面缺陷主要分类，(a), (b) 台阶效应；(c), (d) 未熔粉末；(e), (f) 球化效应；(g), (h) 表面裂纹 台阶效应是铺粉层厚在成形部件侧面或倾斜曲面沿打印高度方向堆积而形成。台阶效应所引起成形部件表面粗糙度增加是由铺粉层厚和样品侧面与打印高度方向的倾斜角度共同决定。铺粉层厚增加和倾斜角度增大会引起明显的台阶效应，进而促使表面粗糙度明显增加。成形部件表面存在大量未熔粉末也显著增加了部件的表面粗糙度。形成未熔粉末的主要原因为能量输入较少，粉末未能被完全融化。成形过程中，大粒径粉末颗粒相较于小粒径粉末更难以融化，致使成形件表面粗糙度最大可至粉末粒径尺度。球化缺陷是增材制造过程非常普遍的缺陷，被认为是金属部件表面缺陷和气孔的主要来源。球化效应是一种较为复杂的冶金行为，主要表现为液态金属熔融过程中受表面张力影响汇聚为球状特征，以减小表面积。 3. 显微组织缺陷 增材制造金属部件内部显微组织缺陷具体可分为：(1) 内部裂纹；(2) 内部孔隙；(3) 织构化柱状晶。同金属焊接过程相似，金属增材制造过程所产的裂纹主要分为：(1)热裂纹；(2) 凝固裂纹，具体如图4所示。热裂纹的发生需同时满足金属熔融液膜和残余热应力存在两个条件。凝固裂纹主要受金属增材制造过程中复杂热历史的影响，一般出现于熔池凝固终止阶段。此时，熔池内部枝晶正在生长成为完整的晶粒，而阻碍残余液体的流动，导致枝晶生产空间被压缩。同时，液膜附近的凝固收缩和热收缩共同产生拉应力/应变，超出材料抗开裂能力时，即发生凝固开裂。 增材制造金属部件内部典型裂纹形貌 增材制造金属部件内部孔隙缺陷可分为：(1) 未熔合孔隙；(2) 冶金孔隙；(3) 微孔隙和(4) 收缩孔隙四种类型，典型结构如图5所示。未熔孔隙缺陷主要是由输入能量较低，所形成熔池尺寸较小，不能顺利与基体金属形成有效连接所致，其尺寸可由50 μm至几毫米分布，且较为常见。冶金缺陷一般表现为球状或椭球状结构，尺寸约为5-20 μm或50 μm以上。该缺陷主要是由于金属部件成形过程中所特有的高冷却速率阻碍熔池内部气体逸出，或熔池上方气体被卷入凝固组织而形成，是金属增材制造过程的一种固有缺陷，无法有效避免。 微孔缺陷与焊接过程中液态金属气化所形成缺陷类似，当能量密度增大时，熔池可能发生由浅、半圆形向深、窄形的转变，使凝固模式由整体凝固模式向区域凝固转变，在区域凝固过程中，金属蒸汽可以被包裹在熔池尖端，进而形成球形微孔缺陷，如图5所示。收缩孔隙缺陷主要是凝固过程结束时枝晶间区域的残余液体被隔离而形成。 金属增材制造部件显微孔隙缺陷 增材制造金属部件中存在大量沿打印高度方向定向生长的柱状晶组织，这导致增材制造金属部件机械性能存在巨大的各向异性。柱状晶结构是由于晶粒沿传热梯度方向外延生长和竞争生长的耦合作用所共同决定。由于逐层制造的特点，晶粒可以连续生长穿过若干层厚度，形成大的柱状晶。这种形成过程往往伴随着显著的晶体学织构变化，由于晶粒的不断长大，最终导致沿某些晶体学方向择优生长。 4. 成分缺陷 成分缺陷主要来源于氧化、合金元素流失和微观偏析的影响。其中，氧化主要受到粉末中含氧量及熔池演变过程中氧气参与所影响。氧化现象会促进金属凝固过程中气孔的形成与扩张，进而诱发裂纹，显著影响PBF成形部件的力学性能和疲劳性能。因此，需严格控制原始粉末纯度与成型仓内氧含量，尽量避免氧化现象出现。PBF部件中合金元素流失主要发生在熔池形成至凝固阶段。在此阶段，熔池过热可能造成金属或合金中低熔点或低汽压的合金元素的损失，如铝合金成形过程中的Mg元素损失和NiTi合金中的Ni损失。合金元素损失可能会导致成分严重偏离原始粉末成分，进而影响成形零件的性能。 典型增材制造金属部件柱状晶组织 LPBF 316L的微偏析和重叠位错；(b) 在DED和SLM的1D、2D和 3D约束条件下位错单元的形成示意图 微偏析是传统铸造和焊接工艺中的典型缺陷，主要是由于过冷度大所引起的合金元素没有足够时间扩散，不均匀分布在晶粒内部的非平衡快速凝固的结果。 END 本文主要介绍了基于粉末的增材制造工艺下材料缺陷的类型及产生原因。其中与几何形状相关的缺陷主要包括由宏观残余应力引起的部分变形和分层，而与表面完整性相关的缺陷则是由于阶梯效应、部分熔化、球化和表面开裂形成的；对于微观结构缺陷，第一种形式是内部裂纹，分为与液膜形成相关的热裂纹和固态裂纹，以及材料脆性和残余应力，二是内部气孔，包括LoF气孔、冶金气孔、小孔气孔和缩孔，一般由不适当或不稳定的熔融引起；‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍另一种是由外延生长和晶粒竞争性生长的耦合效应形成的纹理柱状晶粒‍。最后，成分缺陷包括氧化、合金元素损失和微偏析，位错单元是由加工过程中的热膨胀和收缩形成的。 本文内容文献来源：DOI: 10.1016/j.jmst.2022.02.015. 往期同类文章可阅读：《顶刊综述：3D打印金属材料的缺陷种类及其对疲劳性能的影响》 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请依据转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.上百家3D打印企业！9月14-16日Formnext展览会解锁增材智造新技能！ 2.限名额——汽车3D打印制造商推出限量免费打印活动 3.国产高性能3D打印铝合金再获突破，具有良好工艺窗口，高温力学性能稳定 4.西工大顶刊：增材制造高强韧铝合金！异质微观组织+多种强化机制！

近日，3D打印技术参考了解到，3D打印服务商Rosswag Engineering推出了被认为是世界上第一个交易激光粉末床熔融(LPBF)工艺参数的平台——AddiMap。 AddiMap项目是Rosswag于2020年与软件公司NuCOS合作启动。目标是创建一个集中的B2B平台，增材制造企业可以在该平台上共享与金属3D打印相关的材料、参数、数据和服务，以加速技术的产业化。 合作伙伴现在正在对联合AddiMap平台的第一项服务进行Beta测试，用户可以在该平台上购买和销售用于LPBF 金属3D打印的较为成熟的材料数据和工艺参数包。 简化工艺参数开发流程 Rosswag总部位于德国，可提供包括金属3D打印服务以及材料和参数认证服务。自成立以来，该公司已为客户3D打印了60000多个金属零件，涉及40多种粉末材料。该公司利用其专业知识开发了市场，同时希望更多的市场参与者能够以更容易获得的方式利用优化的工艺参数。 在整个生产制造过程中，在工艺参数固定之前，研发阶段工艺参数的验证过程非常乏味且成本高昂，尤其对于小型企业而言，需要花费数周和数月的时间开发和执行他们自己的一系列测试和分析。在某些情况下，相关的研发成本甚至可能超过10000欧元。 借助AddiMap工艺参数交易平台，其目的是想彻底改变业内从业者对工艺参数开发的工作流程。用户无需建立内部研究，只需在几分钟内搜索、购买和下载他们需要的参数包，从而加快生产制造的效率，减少成本支出，同时提高生产力。 该平台通过化学成分或材料编号定义材料，并指定将使用的LPBF装备型号，平台将在其数据库中搜索匹配的参数包。平台内的参数包将由在该领域具有更好研发能力和更专业的公司开发，与机器内置的参数相比，可以较为可靠地提高3D打印的效率。 使用AddiMap参数集的预期生产力提高（图片来自） 让产业受益，加快工业化效率 采用这种模式，平台实际上为专注于研发数据的公司提供了额外的收入来源，他们可以借助工艺参数交易平台收回研发成本，而不是一直尴尬掌控着其从未使用过的数据包。 归根结底，AddiMap工艺参数交易平台意味着很多公司可能不再需要解决其他人已经解决了很多次的问题。这使得增材制造的新来者可以更明智地利用资源，专注于新的应用，并将3D打印推向更大的工业化。 所谓3D打印技术应用爆发、工业化，一直是整个行业的共同话题。3D打印技术参考了解到，宝马集团于5月份宣布其增材制造工业和数字化(IDAM)项目取得成功。该计划于三年前启动，已在波恩和慕尼黑建立了两条汽车3D打印生产线。这些工厂专为自动化大批量生产而建造，如今每年能够制造约50000个零件。除此之外，软件开发商Materialise最近宣布了其新的CO-AM开放软件平台，这是一个有望加速工业化的综合3D打印流程管理工具。基于云的计划面向大批量制造商，并允许访问各种软件工具，以规划、管理和优化工业3D打印的工作流程。 END 值得玩味的是，3D打印技术参考在多年前已经关注过业内知名专家讨论过3D打印工艺参数库的筹划，然而多年过去，未有结果。AddiMap工艺参数交易平台虽在国外，但对于行业发展确实是很好的事情，让专业的人干专业的事情，同时获得回报，是一举多得的事情，但仍然要在长时间内验证这套逻辑的可行性。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请依据转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.上百家3D打印企业！9月14-16日Formnext展览会解锁增材智造新技能！ 2.历时三年，宝马集团IDAM金属3D打印推进计划成功实施 3.拜登政府启动AM Forward计划，亲自为3D打印推动美国制造业发展站台 4.美空军和GE公司的金属3D打印探路者计划达成下一个里程碑

增材制造技术具有结构设计灵活性高、材料利用高的特点，为复杂构件近净成形提供机遇。目前能应用于增材制造的铝合金主要为Al-Si和Al-Si-Mg体系铸造铝合金。以2024Al（Al-Cu-Mg）合金为代表的锻造系高强铝合金，作为结构件广泛应用于航空航天领域。然而2024Al合金具有较高的热裂敏感性，凝固过程易出现热裂纹而难以采用增材制造打印成形。因此本研究采用原位自生方式引入TiB2纳米颗粒解决难打印高强铝合金成形问题，建立颗粒含量与晶粒结构及尺寸之间的关系，获得可与锻态2024Al合金力学性能相当的打印态材料。 异质颗粒的引入可有效提高2024Al合金的打印成形性，细化晶粒尺寸，增强构件力学性能，然而TiB2颗粒的引入对于晶粒组织的影响及晶粒细化水平尚不清楚，目前需要建立颗粒含量与晶粒尺寸之间的关系式，明确颗粒含量与微观组织的定量化关系。上海交通大学王浩伟教授团队联合上海光源、英国伦敦大学学院、英国卢瑟福·阿普尔顿实验室成功通过选区激光熔化技术制备出含不同TiB2颗粒的2024铝基复合材料，通过试验表征不同含量TiB2颗粒引入后，打印态构件晶粒组织由单一的粗大柱状晶演变为细小的等轴晶-柱状晶双晶区晶粒组织，提出了颗粒含量与等轴晶晶粒尺寸之间的定量化关系式。相关工作以题为“The role of in-situ nano-TiB2 particles in improving the printability of noncastable 2024Al alloy”的研究论文发表在Materials Research Letters上。 论文链接： https://doi.org/10.1080/21663831.2022.2080514 图1.（a-f）不同TiB2颗粒含量下打印态材料内部孔洞分布，（g）孔洞尺寸分布图，（h）打印态样品致密度测试结果，（i）不同颗粒含量粉末激光反射率测试结果 图2. （a-f）不同TiB2颗粒含量下打印态材料微观组织；（g-l）含不同TiB2颗粒打印态材料晶界分布及织构强度 图3. （a-c）试验所得不同颗粒含量打印态材料晶粒尺寸；（d）晶粒尺寸与TiB2颗粒含量拟合关系图 孙腾腾等采用选区激光熔化技术成功制备含不同原位自生纳米TiB2颗粒含量的2024Al基复合材料，研究表明，纯合金打印态微观组织主要为平均晶粒尺寸~38.8 μm的柱状晶，经颗粒修饰后，形成柱状-等轴双晶区的细小晶粒组织，其等轴晶约占75%，复合材料平均晶粒尺寸随TiB2含量增加而逐渐减小。同时，复合材料中大角晶界的百分含量相比合金以及传统制造方式所得材料大幅提高，可有效阻碍变形过程中的位错移动，提高构件力学性能。试验所得等轴晶晶粒尺寸与颗粒含量的立方根经拟合呈线性关系，所得关系式如下： 此研究首次对增材制造颗粒引入型2024高强铝合金颗粒含量与微观组织结构进行分析，通过调整TiB2颗粒含量，调控打印态复合材料微观组织及晶粒尺寸，上述成果为增材制造打印成形颗粒引入型高强铝合金的微观组织调控及颗粒的晶粒细化效率提供了理论依据和实现途径。   论文第一作者为博士研究生孙腾腾，王洪泽副教授、吴一高级工程师与汪明亮副研究员为共同通讯作者，论文其他作者包括上海交大王浩伟讲席教授、博士研究生高振洋、博士研究生金鑫源、上海光源付亚楠研究员、英国皇家工程院院士Peter D. Lee和伦敦大学学院Chu Lun Alex Leung教授。论文得到了国家自然科学基金、上海市自然科学基金、上海市扬帆计划、安徽省淮北市重大科技专项、欧盟玛丽居里学者项目的支持。 注：本文内容来自材料科学与工程。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.「金属仿生结构」难以创建，中科院金属所采用3D打印取得重要进展 2.清华大学：熔体流动如何影响金属3D打印中的枝晶生长 3.科学家对金属3D打印中的缺陷形成有了新认识，能充分控制熔池稳定性 4.国外正在开发一种基于蓝色激光的新型金属3D打印机

导读：近日，中国科学院上海硅酸盐研究所陈健副研究员首次提出高温熔融沉积3D打印结合反应烧结制备高固含量SiC陶瓷的新方法，成功制备出力学性能接近于传统方法制备反应烧结的SiC陶瓷。相关研究成果发表在《Additive Manufacturing》，并申请中国发明专利2项。 碳化硅陶瓷的应用与传统制造难点 碳化硅陶瓷是一种具有高强度、高硬度、高热导率、高化学稳定性等优异性能的陶瓷材料，被广泛应用于航空航天、微电子、汽车工业、核工业等领域。近年来，汽车工业、航空航天等领域都对大尺寸、复杂结构的零部件有强烈的需求。 碳化硅陶瓷的广泛应用 目前对各种复杂结构形状SiC陶瓷需求急剧增加，传统的制造方法复杂、耗时、模具设计制作周期长。由于其极高的硬度和脆性，导致其加工极其困难。刀具不仅磨损严重，而且还可能产生裂纹等缺陷，难以达到良好的表面质量和尺寸精度。基于以上缺点，结合3D打印技术的SiC陶瓷制备技术成为目前研究和应用的主要发展方向，能良好地解决传统陶瓷材料复杂形状难成型、难加工，制作周期长、成本高的问题。 主流3D打印工艺制造SiC陶瓷的不足 当前，3D打印工艺制造陶瓷的技术种类主要包括SLS (激光粉末烧结)、DIW（直接墨水书写）、SLA (光固化)、和BJ (粘结剂喷射)以及FDM（熔融挤出），上海硅酸盐所的科研人员对这几种的陶瓷3D打印技术进行了测试与认证。 与金属3D打印不同的是，陶瓷材料不能通过激光加热陶瓷粉末直接打印。直接SLS制件在烧结过程中产生的热应力难以避免产生裂纹，导致最终产品力学性能较差。 直接墨水书写（DIW）技术是将陶瓷粉末与各种有机物混合，制成陶瓷墨水，然后通过打印机将其打印到成形平面上形成陶瓷坯体。目前，该技术的难点是墨水中的固相含量太低，这会导致陶瓷坯体致密度较低。 采用直接墨水书写技术3D打印的Al2O3坯体 SLA是一种基于光敏陶瓷浆料光聚合的有效紫外光固化技术，是当前主流的陶瓷3D打印工艺，但由于碳化硅的高吸光度、高折射率，限制了浆料的固化厚度、固含量等参数。 粉体熔融沉积成型(FDM)3D打印技术在传统熔融沉积方法的基础上，采用粉体混炼然后挤出机构3D打印制备SiC陶瓷，该方法具有以下优点：可粉体打印，原料制备方便；在常温状态下，粘接剂粘结力强；在高温状态下，粘接剂流动性好；在打印过程中可以通过温控消除应力；打印样品在常温下强度大；打印产品可常压烧结制备或反应烧结制备SiC陶瓷；打印料可循环利用。 BJ工艺可以快速打印复杂形状，同时保持打印精度。然而，BJ工艺限制了粉末的填充密度，导致SiC体积分数受限。 NASA格伦研究中心采用粘结剂喷射技术打印的SiC陶瓷复合材料涡轮发动机部件 研究团队对比发现，常规的3D打印方法制备陶瓷材料，往往有机物含量较高，有利于打印成型，而陶瓷固含量相对较低，采用常压烧结方法一般材料难以达到高致密度，而SiC反应烧结是通过浸渗的熔融硅与坯体内的碳反应，将坯体中的SiC颗粒结合起来，从而实现陶瓷致密化。相比于常压烧结和热压烧结等常规方法，更容易实现材料致密化，同时反应烧结具有烧结温度低、烧结前后尺寸变化小等特点。 国产3D打印方案为高固相含量SiC陶瓷打印带来可能 如能实现SiC陶瓷大尺寸、轻量化、一体化制造显然是更好的选择。作为国内领先的金属/陶瓷挤出3D打印工艺的制造商——升华三维给出了解决方案——大尺寸独立双喷嘴打印机UPS-556系统。 PEP技术是3D打印+粉末冶金”相结合的金属/陶瓷间接3D打印技术，是Powder Extrusion printing的简称。研究团队使用PEP技术实现了高固含量SiC陶瓷材料的3D打印，结合反应烧结制备出致密高强的SiC陶瓷材料，从而解决SiC陶瓷材料复杂形状难加工，制作周期长的问题。 利用UPS-556系统，PEP技术将热加工过程转移到烧结步骤，这使得更容易管理热应力，因烧结温度低于其他类型的直接3D打印工艺中所需的完全熔化温度，并且热量可以更均匀地施加，从而确保了产品性能的一致性。 UPS-556采用独立双喷嘴设计，可以同时打印或者各自轮流打印金属和陶瓷不同种类材料的复合产品开发，实现复杂结构和产品的快速成形，大大节省了产品打印时间，具有操作简单、工业型、高精度、高质量、高性价比等优点。再结合反应烧结制备工艺在复杂结构碳化硅陶瓷产品近净尺寸成型方面形成了巨大优势，从而提高了产品生产效率并降低生产成本，为制造复杂结构陶瓷提供了新的工艺方案。 SiC陶瓷3D打印示意图 近日，该研究团队首次提出了高温熔融沉积结合反应烧结制备SiC陶瓷新方法。该方法采用高温原位界面修饰粉体，低温应力缓释制备出高塑性打印体，获得了低熔点高沸点的高塑性打印体，材料固含量超过60vol%；之后对塑性体进行高密度叠层打印，打印的陶瓷样品脱脂后等效碳密度可精确调控至0.80 g·cm-3，同时对陶瓷打印路径进行拓扑优化设计，可在样品中形成树形多级孔道；最终陶瓷样品无需CVI或PIP处理直接反应渗硅烧结后实现了低残硅/碳的高效渗透和材料致密化，SiC陶瓷密度可达3.05±0.02 g·cm-3，三点抗弯强度为310.41±39.32 MPa，弹性模量为346.35±22.80 GPa，陶瓷力学性能接近于传统方法制备反应烧结SiC陶瓷。 不同形状尺寸的SiC陶瓷 经加工的~200mm 3D打印SiC陶瓷相关研究成果发表在《Additive Manufacturing》，并申请中国发明专利2项。该方法有望实现低成本、高效率的复杂结构陶瓷产品近净尺寸成型技术的工业化应用。同时该塑性体打印方法避免了微重力条件下粉体打印潜在的危害，为未来空间3D打印提供了可能。 注：本文内容参考自研究团队已公开专利及中科院上海硅酸盐所公众号。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.上百家3D打印企业！9月14-16日Formnext展览会解锁增材智造新技能！ 2.几种主流陶瓷3D打印工艺的关键特点及航空航天应用面临的挑战 3.一种用短切陶瓷纤维增强的新型3D打印耐高温复合线材 4.国家增材中心《大讲堂》第一讲：陶瓷增材制造控形控性关键技术

导读：引言：近年来，人们越来越喜欢谈论使用粘结剂喷射成型技术和FDM技术来生产中小批量金属零件。德国咨询公司Ampower做了一项调查，研究了金属粉末注射成型技术（MIM）是如何带动这些技术创新的，为了让设计者更好了解3D打印技术应用在商业生产中的可能性，他们还对比了这些技术的关键性能和所需成本。 随着电子行业、航空航天以及汽车制造等先进制造业的蓬勃发展，制造领域对精密金属制造零部件的要求也越来越高。提到精密金属加工工艺，最频繁被提及的便是金属粉末注射成型技术（MIM）。MIM技术起源于20世纪70年代，因为研制出了性能更好的粘结剂，该技术普及度便日益广泛。经过几十年发展，如今全球MIM零部件总销售额已经超过20亿欧元，年复合增长率在10-20%之间。MIM主要应用在家用电子产品、医疗设备、汽车零部件、手表和电动工具等对精密零件有高要求的行业中。 ARC集团使用MIM技术制造的不锈钢作品在电子/电气组中获得MPIF特等奖MIM技术制造的零件尺寸通常在5-50 mm之间，也可以制造一些重量只有0.02g的微米级尺寸零件，但却很难做到超过1kg的大零件。因此，能支持大尺寸精密金属零件生产的增材制造工艺应运而生。 由MIM技术衍生出的新金属增材制造工艺 增材制造技术已经有三十多年的发展历史，在过去五年里，由于工业生产中广泛应用这项技术来制作功能部件，使其得到迅速发展。随着MIM技术的不断成熟发展，一些公司开始开发和MIM共用脱脂和烧结工艺的新型金属增材制造工艺，目前逐渐兴起的就是由使用金属线材（或粒料）的熔融沉积成型技术（FDM）、和粘结剂喷射成型技术（BJ）；我们把这两种新型金属增材技术和广泛使用的激光粉末熔融技术（L-PBF）做对比，来分析三种工艺。   三种金属增材制造成型技术 1. 金属熔融沉积成型技术（FDM） 金属熔融沉积成型技术（FDM）和一般的塑料FDM在工艺过程上相同，通过熔融挤出并层层叠增的方式成型，区别是所用的耗材多为金属粉末与有机粘结剂的混合物。 全球目前有三家主要企业提供端到端的解决方案，包括美国的Markforged和Desktop Metal公司，以及中国的Raise3D公司（复志）。   金属熔融沉积成型FDM技术原理 2. 粘结剂喷射成型技术（BJ） 粘结剂喷射成型技术是⼀种通过喷射粘结剂使粉末成型的增材制造技术，和许多激光烧结技术类似，以粉床为基础，使用喷墨打印头将粘结剂喷到粉末里，将粉末进行层层粘合，实现成型，该技术早期重点研究砂模铸造成型。初步发展后，美国ExOne公司（后被Desktop Metal 收购）将该技术进一步开发以用于金属粘接成型。 BJ粘结剂喷射成型技术原理 3. 激光粉末床熔融技术（LB-PBF） 激光粉末床熔融技术（L-PBF），也称为选择性激光熔化，是一种基于粉末床的增材制造工艺，采用高能激光束逐点扫描实现粉末冶金结合，从而打印过高性能零件。 这3种金属增材制造工艺在零件设计、机械性能和成本方面都有各自特定的优势和限制。接下来，3D打印技术参考将从零件质量和经济价值两大方面对这3种工艺进行分析，为潜在用户找到各个使用场景所适用的技术。 工程的关键：材料，质量，设计 1. 材料种类 材料选择的多样性和性能都是影响新技术发展的关键因素。目前，由于激光粉末床熔融（L-PBF）技术发展时间较早，积累了大量可用材料，包括铝合金、钛合金、镍基合金、铁合金和贵金属合金，另外还有其他正在开发的材料，如镁合金。从理论上讲，任何可焊结的材料都可以用LB-PBF技术来加工。大量研究和论文重点关注这些合金的性能，这意味着工程师可以对这项技术的前景发展充满信心，L-PBF技术的接受度比其他研究成果较少的工艺高很多。 如今17-4PH和316L不锈钢是用于粘结剂喷射技术和金属熔融沉积成型技术（FDM）的主流材料。不过，3D打印技术参考已经报道过Ti6Al4V、铝合金以及铜合金均可已实现基于烧结的3D打印工艺突破。实际上，所有已知的MIM合金都可用于以烧结技术为基础的金属增材制造。因此对于铜和硬质合金材料而言其未来发展可以有更高预期——它们在L-PBF技术中较难进行打印。 2. 材料性能 这项研究选择了316L和17-4PH来比较使用L-PBF、MIM、金属FDM和粘结剂喷射工艺制造的零件性能。测试结果基于八个不同系统供应商提供的五十多个样本。完整的测试流程包括拉伸测试、硬度测试、表面粗糙度测量、显微观察和µCT分析。 结果报告将重点关注硬度测量和致密度测试，这也是金属零件质量的重要考量因素。致密度是金属材料具备的重要特性，其次是抗拉伸强度和疲劳特性。致密度同时能保证设计的气密性和水密性。这些情况中，部件密度低则必然要增加壁厚，才能避免部件的渗漏。 为了进行密度分析，用显微镜来检验每种工艺制造的零件的显微形貌，测试的样本来自几个粘结剂喷射技术和金属熔融沉积技术制造商，还有MIM和LB-PBF技术的样本。结果显示，各种技术的孔隙在大小、形状和分布情况都存在明显差异（如下图）。对于所有以烧结技术为基础的工艺，导致差异最可能的原因是脱脂和烧结的方案不同（采用第二代的硝酸/草酸催化脱脂法相比第一代的溶剂脱脂法的致密度更高），而不是因为不同的打印工艺。值得一提的是，所有FDM和BJ工艺打印的样品密度都超过了95-97%的标准MIM烧结密度范围，这些样品的供应商均面向军工需求。 图：粘结剂喷射、金属FDM、MIM和LB-PBF的金相孔隙分析为了尽量减少烧结温度和工艺流程的其他因素对机械性能的影响，还为了让工艺可比性更强，所有样本在烧结后都额外进行了相同的热处理。所有样本都放在1040°C真空环境内进行了一个小时的固溶处理。17-4PH样本进行了4小时550°C的硬化。图1、2是硬度测量的结果。从结果中可以看出，以烧结技术为基础的新兴增材制造工艺达到了ISO 22068对316L对MIM技术的要求数值， 17-4PH也接近/超过了ASTM的标准值。   图1 17-4PH的硬度（HV）图2 在1040°C下固溶处理316L的硬度（HV） 3. 设计自由度 与传统工艺相比，增材制造技术提供了更多的设计自由度。但是在使用L-PBF技术时，残余应力和支撑结构的要求给设计过程增加了限制。 虽然粘结剂喷射技术在制造过程中不需要支撑，但是烧结过程为了避免部件变形可能需要增加额外支撑。使用陶瓷支撑可以作为一种替代方式，将其放在在烧结过程容易变形的部位可以将部件固定住。这种方式只能用在大规模生产中，才能抵消成本的增加。 尺寸方面，MIM部件相对较小，通常大小只有50mm甚至更小。这种限制的原因在于脱脂和烧结工艺。实际上，脱脂工艺将材料厚度限制在5-10mm。超过这个厚度，脱脂时间就会成倍增加，或者根本无法完成脱脂。除此之外，烧结需要的温度接近材料熔点，当零件过大或者是结构较为复杂时，则容易变形。同时，在烧结过程中，部件有明显收缩，因此需要对零件模型进行提前缩放。 使用基于烧结的金属3D打印技术时，限制仍然存在。由于烧结过程中尺寸变形状况无法预测，需要测试多次来把握烧结期间会产生的变形情况，这也导致新兴的3D打印工艺只能制造简单的几何零件，要制作复杂零件就要不断试错。 4. 表面质量 金属增材制造的另一个重要评价标准是表面质量，高精度和低表面粗糙度都能避免额外的机械后处理。L-PBF制造的零件表面质量经常被拿来和铸造零件相比较。如果做外观件，其表面必须进行后处理，而如果是做内部结构件，则可以保持原样或只进行简单喷砂处理。MIM技术中，烧结后的零件质量通常能满足外观的要求。表面粗糙度以及尺寸精度的可重复性，能够生产高精度零件，且无需机械后处理。也可以将铣削操作放置在零件未烧结情况下，这样更容易操作，以烧结技术为基础制造的金属FDM和粘接喷射工艺也一样。 本次研究通过触觉检测，分析了烧结后表面粗糙度的数据。这些数值是通过在zx平面和xy平面内测量样本平面得到的。两种测试方法的平均值能够进行技术比较。不过对于金属FDM技术而言，表面粗糙度很大程度取决于打印的方向（如图3）。   图3与LB-PBF和MIM相比，新兴增材制造技术样品平均表面粗糙度Ra数值（µm） 经济角度：成本和价值链 如果使用LB-PBF技术，金属增材制造的特点是机器成本高、生产速度慢和材料成本高。所以并非技术上可行的方案在经济上也可行。基于烧结技术的金属3D打印技术有望改变这种情况，大大降低金属增材制造打印零件的成本。 1.材料成本 适用于LB-PBF技术的金属粉末成本价在每公斤40到400欧元不等，具体价格取决于合金种类。不锈钢最便宜，在每公斤40到80欧元之间。目前粘结剂喷射技术和LB-PBF技术一样，使用球形粉末颗粒作为原料。然而，Desktop Metal等公司的新技术使用的则是传统的MIM粉末。由于诸如17-4PH的不锈钢MIM粉末每公斤价格仅5到10欧元，这可能能够降低80-90%的成本，不过还需要在此基础上算上粘结剂的价格。 金属FDM原料包括由金属粉末和有机粘结剂化合物制成的金属丝、颗粒或棒材。粘结剂的成本已经包括在内，是基于传统MIM喂料（混合金属和粘接剂）制作的，目前如Raise3D使用的BASF的316L线材每公斤则要200欧元，其他供应商类似的金属耗材每公斤也要100欧元。而316L的MIM粒料每公斤在15到18欧元之间，未来金属FDM技术价格会比LB-PBF技术的更低，尽管现在仍然高于PBF。 2. 设备采购 对双激光LB-PBF系统的设备投入一般约为50万欧元，加上折旧和损耗，机器平均每小时费用为30到40欧元。单激光系统价格最低，而四激光系统每小时成本高达55欧元。 有相似成形范围，在300mm边缘长度范围内的粘结剂喷射系统投资成本差不多，只包括打印零件过程（不包括脱脂烧结流程）。此外，损耗和维护成本对这两种技术的影响不大，所以使用粘结剂喷射成型技术的机器每小时费用差不多。未来粘结剂喷射装备的投资成本预计会更高，约为100万欧元（不包括脱脂烧结），不过有望能在将来提高生产率。 金属FDM系统在投资、维护和损耗方面成本低很多。仅计算打印过程，机器成本在3万到10万欧元之间，每小时费用为3到8欧元。 3D打印技术参考提示，基于烧结的3D打印工艺所涉及的脱脂和后烧结过程，与这两个步骤相关的设备投资也需要不小的投资，具体分析见下文。 3. 效益情况 不同类型增材制造的批量生产成本是由各自系统的生产速度（cm³/h）和机器小时率计算的（如图4）。任何必要的机械后处理以及质量检查工作所产生的额外费用都不包括在内。   图4 新兴增材制造技术与LB-PBF相比，每个样件的平均成本 生产速度很难比较，虽然LB-PBF和FDM系统可以通过打印速率（随时间的体积变化，cm³/h）来量化对比，但粘结剂喷射工艺的打印速率很大程度上取决于填充密度。相同高度的打印工作使用的打印总时长相同，与体积无关。 分析表明，LB-PBF的生产速度与打印空间中同时工作的激光器数量有重要关系。根据提到的每小时费用，每立方厘米不锈钢的成本在1到3欧元之间。层厚是金属FDM技术打印量的关键。增加层厚，生产速度就提高了，但是大大降低了精度和表面质量。如上文所说，原料成本跟使用系统也有关系。将这些变量纳入计算，每立方厘米不锈钢的成本在0.5到2.5欧元之间。 粘结剂喷射技术的生产速度是由总的打印时间和填充密度计算出来的。填充密度反映了所有零件体积总和，和完整成形范围相关。大批量生产中，不同部件混合打印的填充密度通常为10%，优化后的堆叠部件填充密度达到30%。打印时间在20到24小时之间。考虑到接下来几年该技术的发展潜力，成形范围会不断增大，由于有了双向单程喷射技术，总打印时间会降到10小时。目前使用不锈钢，每立方厘米的制造成本还在0.5到1欧元之间。 4.…

重点：仿生结构可有效提高材料的机械性能，但难以在金属系统中构建。 材料的强度和断裂韧性是保障构件安全服役至关重要的性能参数，但二者往往表现为相互制约关系，并且材料性能的持续优化也压缩了既有强韧化策略进一步发挥作用的空间。天然生物材料具有复杂巧妙的组织结构和优异的力学性能，可为材料强韧化设计提供重要启示。然而，在金属材料体系中设计构筑仿生结构面临两方面挑战：传统的制造加工方法（如熔炼、轧制、热处理等）很难在多级尺度上对金属材料的组织结构进行有效控制和精细调节；金属仿生材料的结构与性能之间关系尚不清晰，仿生材料结构的优化设计缺乏理论依据，更难以实现按需设计。   仿生Mg-Ti复合材料结构演示 近日，金属研究所在前期研制高阻尼镁基仿生材料的基础上，通过模仿典型天然生物材料的微观三维互穿结构与空间构型，利用“3D打印+熔体浸渗”工艺制备了一系列新型镁-钛仿生材料，在金属体系中成功构筑了类似鲍鱼壳的“砖-泥”结构、螳螂虾壳的螺旋编织结构和紫石房蛤壳的交叉叠片结构（如图1所示），并在经典层合理论基础上建立了能够定量描述仿生材料结构与力学性能之间关系的力学模型，实现了其模量与强度的定量预测。研究成果发表在Nature Communications 13 (2022) 3247。 图1：具有不同仿生结构的镁-钛复合材料及其与天然生物材料原型的比较 研究发现：在镁-钛复合材料体系中，仿生结构能够起到显著的强韧化作用，与组成相似但不具有仿生结构的复合材料相比，仿生材料的强度与韧性同步提高，其断裂能提升2-8倍，特别是交叉叠片结构因具有多级结构特征而表现出最佳的强韧化效果； 仿生材料中镁、钛两相在三维空间相互贯穿，有利于促进它们之间的应力传递，并抑制各自相中的变形与损伤演化，减轻应变局域化程度，从而延缓仿生材料整体发生断裂，提高其拉伸强度与塑性； 图2：仿生Mg-Ti复合材料的开裂形态和增韧机制 微观取向不断变化的特定空间构型能够诱导裂纹沿仿生结构发生偏转，增大裂纹面的面积，并且凹凸不平的裂纹面之间能够产生摩擦并形成桥连，有助于消耗外加机械能，实现高效增韧； 不同类型的仿生结构均可通过提取结构中的最小重复单元，并考察其在三维空间的紧密堆积形式进行定量描述，进而将经典层合理论发展应用于仿生结构，能够建立仿生材料的结构与力学性能之间的定量关系，从而为预测仿生材料的性能以及优化设计仿生结构提供理论依据，如图3所示。 图3：具有不同仿生结构的镁-钛复合材料中的裂纹扩展形貌、结构模型及其强度和模量与特征角度之间的定量关系 仿生镁钛复合材料可能具有结构和生物医学应用的潜力。仿生结构的显著强化和增韧效率可进一步用于开发新的仿生金属材料。目前的理论分析和处理路线可以为更精确和更有效的方式设计和构建架构提供手段。 相关工作由金属研究所材料使役行为研究部与轻质高强材料研究部以及加州大学伯克利分校的研究人员合作完成。博士研究生张明阳为文章第一作者，刘增乾研究员、张哲峰研究员和Robert O. Ritchie教授为共同通讯作者。相关工作得到了国家重点研发专项、王宽诚率先人才计划“卢嘉锡国际团队”及国家自然科学基金（51871216、52173269）项目资助。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.上百家3D打印企业！9月14-16日Formnext展览会解锁增材智造新技能！ 2.装备：实现新型仿生/梯度结构设计，催生新概念武器装备 3.清华智造大讲堂：史玉升教授——从3D打印到4D打印 4.史玉升教授：4D打印智能构件的增材制造技术及应用领域

多年来，对3D打印镍基高温合金的需求不断增长，这些材料通常具有出色的机械性能、耐腐蚀性和抗蠕变性，能够在500°C以上的温度范围内工作。因此，它们是航空航天领域的首选材料，用于制造涡轮叶片等发动机部件。 单晶涡轮叶片能够在比合金材料高得多的温度下工作，但迄今为止，镍基单晶高温合金的增材制造已被证明非常困难。虽然可以通过电子束熔化(EBM)进行加工，但使用SLM等基于激光的技术通常需要使用单晶构建基板。 近日，3D打印技术参考了解到，来自日本国家材料科学研究所、九州大学和大阪大学的团队已经使用平顶激光3D打印了单晶镍，且完全不需要单晶基板。 使用SLM打印时，密切控制零件的晶界、应变抑制和组织均匀性是一个棘手的过程。由于打印过程中顶层与底层之间存在极大的温度梯度，重复的热循环导致高应变和位错密度，造成内部动态结晶和新晶粒的形成。 对于更精确的微观结构控制，尤其是为了获得单晶，用户要么需要微调扫描策略，要么从一开始就使用单晶基板。 研究人员表示，传统基于高斯的光束造成了典型的SLM显微组织和和微观结构，但目前还没有针对平顶光束的研究。在本研究中，研究人员使用SLM Solutions SLM 280HL系统在Ar环境中打印了纯镍结构。首先，多晶镍板用于检查单个平顶激光轨迹的行为，以便估计后续熔池的形状。 测量熔池深度并使用观察到的熔池几何形状在多晶304不锈钢基板上打印由Ni制成的圆柱形试样。每个试样都经过研磨和抛光，并使用扫描电子显微镜成像和电子背散射衍射研究微观结构。 通过优化平面熔池，该团队在不依赖单晶构建板的情况下，成功地3D打印了由纯镍制成的均质单晶结构。研究人员表示，这项工作为如何使用各种参数控制SLM工艺中的微观结构及其相关特性提供了新的见解，特别是在确保单晶结构方面。在未来的研究中，这些发现将应用于更广泛的金属合金。 论文地址： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772369022000408#! 然而，3D打印材料凝固过程冷却速度快的突出特点，极易造成高残余应力和高位错密度的亚稳态微观组织结构。这种亚稳态结构在标准热处理或服役过程中容易发生再结晶，导致材料高温力学性能下降，造成安全隐患。 在2020年，由西安交通大学、美国麻省理工学院以及美国约翰霍普金斯大学组成的研究团队刊文指出，从微观结构演化的规律入手，为3D打印单晶高温合金定制热处理制度，可以解决单晶叶片3D打印修复后的再结晶问题，并提出了高温合金塑性变形回复的新机制。 3D打印镍基单晶的微观结构演变，与研究的新型高温还原退火相比较图 高温合金的标准热处理制度一般由固溶、时效组成，实践证明该工艺流程会导致3D打印高温合金发生再结晶。研究团队经过系统的文献调研与综合分析，提出并证实在固溶前增加“回复”（Recovery）步骤，可以消除再结晶驱动力。 经过“回复-固溶-时效”处理，高温合金的残余应力伴随微观组织γ′相的定向粗化而消除，位错密度可降低至热处理前的5%左右，时效后沉淀强化γ′相达到与铸态基材相同水平。因所发现的现象与高温合金在高温蠕变条件下发生的筏化效应（Rafting）相似，且在事实上起到了回复的效果，故将其命名为“筏化-回复”效应（Rafting-enabled recovery）。 镍基高温合金叶片 这一发现为防止3D打印单晶由于残余应力未消除而开裂提供了一种实用方法，为增材制造修复、恢复和重塑其他高温合金单晶产品铺平了道路；突破了经典观念所认为的“单晶高温合金不具备回复能力”的认知，为设计3D打印高温合金的非标准热处理制度提供了科学依据，并表明新的热处理制度完全能满足3D打印单晶叶片修复的需求。 该研究以《利用“筏化-回复”效应抑制3D打印修复单晶高温合金的再结晶》（Rafting-Enabled Recovery Avoids Recrystallization in 3D-Printing Repaired Single-Crystal Superalloys）为题在材料学科权威期刊Advanced Materials上发表(doi: 10.1002/adma.201907164)。 注：本文内容来由3D打印技术参考整理编辑，转载请依据转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.上百家3D打印企业！9月14-16日Formnext展览会解锁增材智造新技能！ 2.西交大最新：3D打印单晶高温合金突破经典理念 3.华中科大开发出一种消除裂纹、同时提高强度和延展性的3D打印镍基高温合金热处理方案 4.高温合金增材制造成熟用于武器装备核心部件高质量制造