世界各國(guó)正在不斷加強(qiáng)3d打印技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用。歐盟和美國(guó)引領(lǐng)著世界3d打印技術(shù)的發(fā)展，并在該技術(shù)的應(yīng)用和推廣領(lǐng)域獲得先機(jī)。美國(guó)將“3d打印”研發(fā)中心作為新建的15個(gè)國(guó)家制造創(chuàng)新中心之首，政府直接投資3000萬(wàn)美元進(jìn)行支持；近日，美國(guó)國(guó)家航空航天局和洛克達(dá)因公司共同完成了3d打印火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴射器的測(cè)試，工時(shí)和成本驟降，全尺寸3d打印零件將是未來(lái)美國(guó)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)方向；歐洲也十分重視對(duì)3d打印技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志是最早將3d打印稱為“第三次工業(yè)革命的引擎”的媒體；2013年10月份，歐洲航天局公布了“將3d打印帶入金屬時(shí)代”的計(jì)劃，旨在為宇宙飛船、飛機(jī)和聚變項(xiàng)目制造零部件，最終的目標(biāo)是采用3d打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)由一整塊金屬構(gòu)成、不需要焊接或熔合的整顆衛(wèi)星的整體制造；澳大利亞在2013年制定了金屬3d打印技術(shù)路線，并于2013年6月揭牌成立“中澳輕金屬聯(lián)合研究中心（3d打?。?；德國(guó)將“選擇性激光熔結(jié)技術(shù)”列入“德國(guó)光子學(xué)研究”；日本著力推動(dòng)3d打印產(chǎn)業(yè)鏈后端，不斷嘗試將本國(guó)已取得的技術(shù)成果在工業(yè)中進(jìn)行推廣和應(yīng)用；南非政府將目光投向大型3d打印機(jī)設(shè)備的研制和開(kāi)發(fā)，將核心激光設(shè)備研制與扶持激光技術(shù)協(xié)同發(fā)展；我國(guó)地方政府也非常重視3d打印產(chǎn)業(yè)，珠海、青島、四川雙流、南京等地先后建立了多個(gè)3d打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心和科技園。
全球3d打印產(chǎn)業(yè)的權(quán)威研究機(jī)構(gòu)——美國(guó)沃勒斯公司發(fā)布的全球3d打印產(chǎn)業(yè)報(bào)告顯示，2012年全球3d打印市場(chǎng)總收入為22億美元，其中包括設(shè)備和服務(wù)。美國(guó)的產(chǎn)業(yè)收入一馬當(dāng)先，大約占全球總收入的60%，傳統(tǒng)的制造業(yè)強(qiáng)國(guó)——德國(guó)和日本比較重視制造技術(shù)的革新，3d打印產(chǎn)業(yè)收入各約占全球的10%，中國(guó)作為未來(lái)巨大的應(yīng)用市場(chǎng)，產(chǎn)業(yè)收入已約占全球總收入的10%，有望成為世界3d打印產(chǎn)業(yè)的一極。據(jù)美國(guó)消費(fèi)者電子協(xié)會(huì)最新發(fā)布的年度報(bào)告顯示，3d打印服務(wù)的社會(huì)需求量將逐年增長(zhǎng)，其產(chǎn)值到2017年有望增長(zhǎng)至50億美元。2.3d打印用材料發(fā)展現(xiàn)狀
有專家指出，3d打印的核心是它對(duì)傳統(tǒng)制造模式的顛覆，因此，從某種意義上說(shuō)，3d打印最關(guān)鍵的不是機(jī)械制造，而是材料研發(fā)。
3d打印對(duì)原材料的要求比較苛刻，滿足激光工藝的適用性要求所選的材料需要以粉末或絲棒狀形態(tài)提供。材料融化后在軟件程序驅(qū)動(dòng)下，自動(dòng)按設(shè)計(jì)工藝完成各切片的凝固，使材料重新結(jié)合起來(lái)，完成成型。由于整個(gè)過(guò)程涉及材料的快速融化和凝固等物態(tài)變化，對(duì)適用的材料性能要求極高，從而材料成本居高不下。比如，即使打印一個(gè)手機(jī)大小的產(chǎn)品，整個(gè)耗材價(jià)格至少要150元以上。基于此，未來(lái)3d打印產(chǎn)業(yè)需要不懈追求的目標(biāo)仍將是：“研發(fā)出更多種類(lèi)的材料”、“使材料獲得與工藝更匹配的性能”、“實(shí)現(xiàn)更高的制備工藝精度和更廉的原材料價(jià)格”以及“將3d打印的直接制造技術(shù)應(yīng)用到更多更廣的領(lǐng)域”。
3d打印技術(shù)包括“快速原型制造技術(shù)”和“金屬構(gòu)件直接制造技術(shù)”2大類(lèi)。目前公眾所了解的3d打印成果和案例大多屬于“快速原型制造技術(shù)”范疇。其實(shí)快速原型制造的范疇比較廣，除了3d打印還有“熔融沉積造型”、“選擇性激光燒結(jié)”、“立體印刷”、“疊層實(shí)體造型”等多種方式。因此，3d打印并不能完全涵蓋“快速原型制造”，而只是實(shí)現(xiàn)快速原型制造的路徑之一。另外一個(gè)分支是高性能的金屬零件直接制造，這一領(lǐng)域可謂意義重大，但難度也更大，對(duì)材料和設(shè)備的要求極其苛刻，是3d打印技術(shù)的制高點(diǎn)。（1）快速原型制造用材料
快速原型制造即通常所說(shuō)的快速成型，近年來(lái)應(yīng)用不斷拓展，發(fā)展極為迅速，已成為工業(yè)模型設(shè)計(jì)與制作中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。最早主要是做樹(shù)脂、石蠟、紙等原型件，用途集中在新產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)方面，通過(guò)該技術(shù)可以簡(jiǎn)便、快速地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化和產(chǎn)品的評(píng)估，由于其“所見(jiàn)即所造”的特點(diǎn)，能夠省去大量生產(chǎn)準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，從而顯著縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期，最終使新產(chǎn)品的研發(fā)成本顯著降低。我國(guó)3d打印目前2億元/a的產(chǎn)值基本來(lái)源于此。近年快速成型加入選擇性激光燒結(jié)工藝，使3d打印在保持高效率的同時(shí)，制造精度也得到顯著提升。
目前3d打印快速成型用特種粉體材料大多是設(shè)備工藝廠商針對(duì)各自設(shè)備特點(diǎn)定制的，優(yōu)點(diǎn)是與專屬設(shè)備的適用性好、研制難度相對(duì)小，缺點(diǎn)是材料的產(chǎn)業(yè)通用性差、產(chǎn)品成型過(guò)程的精度有待提高、產(chǎn)品成型后的強(qiáng)度較低?？梢?jiàn)，制品表面精度受粉末原材特性的制約明顯，工藝對(duì)材料依賴性不容忽視。（2）高性能金屬構(gòu)件直接制造技術(shù)用材料
高性能金屬構(gòu)件直接制造技術(shù)起步于20世紀(jì)90年代初，工藝難度比較大，主要采用高功率的能量束如激光或電子束作為熱源，使粉末材料進(jìn)行選區(qū)熔化，冷卻結(jié)晶后形成嚴(yán)格按設(shè)計(jì)制造的堆積層，堆積層連續(xù)成型，形成最終產(chǎn)品。到目前為止，工業(yè)上的小型金屬構(gòu)件直接制造相對(duì)容易，體積較大的金屬構(gòu)件的直接制造難度非常大，對(duì)材料和工藝控制的要求很高。這將是增材制造產(chǎn)業(yè)推動(dòng)相關(guān)工業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)方向，也將是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。其最大的難度在于材料和成型工藝。以鈦合金為例，激光熔化后的材料凝固會(huì)造成鈦合金體積收縮，造成巨大的材料熱應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力對(duì)小型構(gòu)件影響不大，但隨著零件尺寸的增加，成型變得非常困難，即使能夠成型也會(huì)由于大的內(nèi)應(yīng)力嚴(yán)重影響材料強(qiáng)度。第二個(gè)難題是材料冷卻結(jié)晶過(guò)程復(fù)雜，材料結(jié)晶過(guò)程很難定量控制，一旦出現(xiàn)晶體粗大、枝晶等必將造成材料成型后的力學(xué)性能不佳等問(wèn)題，最終結(jié)果就是關(guān)鍵構(gòu)件沒(méi)辦法獲得實(shí)際應(yīng)用。
高性能金屬構(gòu)件直接制造技術(shù)自問(wèn)世伊始，就與配套材料的發(fā)展密不可分。近年來(lái)，金屬構(gòu)件直接制造所使用的高性能特種粉體材料備受關(guān)注。歐美等國(guó)已經(jīng)比較成熟地實(shí)現(xiàn)了小尺寸不銹鋼、高溫合金等零件的激光直接成形，未來(lái)高溫合金、鈦合金材質(zhì)大型金屬構(gòu)件的激光快速成形作將成為主要技術(shù)的攻關(guān)方向。我國(guó)北京航空航天大學(xué)團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域走在了世界前列，他們通過(guò)激光直接制造成套裝備的研制和對(duì)大型鈦合金金屬結(jié)構(gòu)件成形原理的探究，已掌握高性能金屬構(gòu)件直接制造核心技術(shù)，其成果已應(yīng)用于多種型號(hào)飛機(jī)的研制中。但國(guó)內(nèi)用于金屬構(gòu)件直接制造的材料主要依賴進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)化的同類(lèi)材料。目前還存在著氧含量高、球形度差、成分均勻性差以及粒度分布不佳等問(wèn)題，這在一定程度上限制著我國(guó)高端3d打印產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。
合金粉末內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)對(duì)3d打印最終產(chǎn)品的影響較大，組織粗大的粉末熔覆性能較差。高性能金屬構(gòu)件直接制造用特種粉末要求低氧含量和高球形度，行業(yè)內(nèi)主要由氣霧化和真空氣霧化工藝制備。合金粉末的制備方法主要有水霧化、氣霧化和真空霧化等，其中真空霧化制備的粉末具有氧含量低、球形度高、成分均勻等特點(diǎn)，應(yīng)用效果最佳。
高性能金屬構(gòu)件直接制造所用材料主要是鈦及鈦合金粉末材料和鎳基或鈷基的高溫合金類(lèi)粉末材料。鈦及鈦合金粉末材料采用粉末冶金法制造零部件是少切削或無(wú)切削的近凈成型工藝，金屬的利用率接近100%，是降低鈦及鈦合金零件使用成本的最佳方式。目前鈦及鈦合金粉末制備方法主要有等離子旋轉(zhuǎn)電極、單棍快淬、霧化法等，其中旋轉(zhuǎn)電極法因其動(dòng)平衡問(wèn)題，主要制備20目左右的粗粉；單棍快淬法制備的粉末多為不規(guī)則形狀、雜質(zhì)含量高，而氣體霧化法制備的粉末具有氧及其他雜質(zhì)含量低、球形度好、粒度可控、冷卻速度快、細(xì)粉收得率高等優(yōu)點(diǎn)，是高品質(zhì)鈦及鈦合金粉末的主要制備工藝。
國(guó)外鈦及鈦合金粉末的研究由來(lái)已久，技術(shù)相對(duì)成熟，美國(guó)在1985年發(fā)表了水冷銅坩堝惰氣霧化法的專利，在1988年建立起年產(chǎn)11t的粉末研制線；而日本在1990年已建立年產(chǎn)60t的惰氣霧化粉末生產(chǎn)線，并實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)；而國(guó)內(nèi)在霧化設(shè)備及粉末制備工藝方面，主要為移植和仿研，高性能制粉設(shè)備仍以進(jìn)口為主，在水冷銅坩堝制備技術(shù)、底注式霧化方式等方面仍和國(guó)外差距較大；在粉末制備方面，目前粉末的粒度主要集中于：40～300目之間，雜質(zhì)元素如鈣、氫、氧等也高于國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品水平，如國(guó)內(nèi)制備的真空鈦合金釬焊料由于雜質(zhì)含量高，在使用過(guò)程中存在潤(rùn)濕性差、焊縫質(zhì)量不均勻、焊接強(qiáng)度低等問(wèn)題。
鎳基或鈷基的高溫合金粉末的制備方法主要有霧化法、旋轉(zhuǎn)電極法、還原法等。霧化法主要有二流霧化、離心霧化等方法。氣霧化（含真空霧化）屬于二流霧化，具有環(huán)境污染小、粉末球形度高、氧含量低以及冷卻速率大等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)歷近200年的發(fā)展，氣霧化已經(jīng)成為生產(chǎn)高性能金屬及合金粉末的主要方法。不過(guò)，霧化合金粉末易也出現(xiàn)一些缺陷，例如夾雜物、熱誘導(dǎo)孔洞、原始粉末顆粒邊界物。對(duì)于3d打印技術(shù)來(lái)說(shuō)，粉體材料中夾雜物和熱誘導(dǎo)孔洞都會(huì)對(duì)成型部件產(chǎn)生影響。