增材制造專題—金屬增材制造初探

來源：維科網(wǎng)產(chǎn)業(yè)研究中心
作者：維科網(wǎng)產(chǎn)業(yè)研究中心智能制造研究員  拾壹

增材制造（additive manufacturing, AM）俗稱“3D打印”，增材制造是依據(jù)三維CAD數(shù)據(jù)將材料連接制作物體的過程，相對于減材制造，它通常是逐層累加過程。3D打印也常用來表示增材制造技術(shù)。在特指設(shè)備時，3D打印是指采用打印頭、噴嘴或其他打印技術(shù)沉積材料來制造物體的技術(shù)，其設(shè)備的特點是價格相對低或功能較低。

由于增材制造技術(shù)可以將三維零件離散成簡單的二維層面進行加工，然后再逐層堆積成形，整個制造過程無須采用傳統(tǒng)刀具或模具，基本無需考慮零件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度對于成形效果的影響，與傳統(tǒng)加工工藝相比，增材制造技術(shù)最大的優(yōu)勢在于極大地提高了可加工結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，而且其制造成本并不隨之大幅度提高，具有“免費的復(fù)雜性”優(yōu)勢。因此這可極大地釋放零部件設(shè)計的自由度，設(shè)計者可以充分發(fā)揮想象力，無須拘泥于傳統(tǒng)制造中所遵循的工藝約束。工藝約束不再是設(shè)計過程中首要考慮的因素，設(shè)計人員可以將精力集中在如何通過優(yōu)化設(shè)計提升部件性能，對多個零部件進行一體化設(shè)計、輕量化設(shè)計、創(chuàng)建復(fù)雜的內(nèi)部幾何造型等。

目前，增材制造已發(fā)展出激光增材制造、電子束增材制造和電弧增材制造三大類。

激光增材制造技術(shù)（Laser Additive Manufacturing, LAM）是一種以激光為能量源的增材制造技術(shù)。采用離散化手段逐點或逐層“堆積”成形原理，依據(jù)產(chǎn)品三維CAD模型，快速“打印”出產(chǎn)品零件。通常，用于金屬增材制造的工藝有兩種，包括激光直接沉積LDMD和激光選區(qū)熔化SLM。

資料來源：OFweek產(chǎn)業(yè)研究中心整理制表

根據(jù)所用原材料的形態(tài)和送進方式，電子束增材制造技術(shù)可分為基于熔化同步送進絲材的電子束熔絲增材制造和基于預(yù)鋪粉的電子束選區(qū)熔化增材制造。我們在這里只重點介紹電子束選區(qū)熔化增材制造。

電子束選區(qū)熔化增材制造(Electron Beam Selective Melting,EBSM) 利用計算機把零件的三維模型進行分層處理，獲得各層截面的二維輪廓信息并生成加工路徑，電子束按照預(yù)定的路徑進行二維圖形的填充掃描，熔化預(yù)先鋪放的金屬粉末，逐層堆積，最終實現(xiàn)致密金屬零件的近凈成形直接制造。

EBSM適用加工金屬材料包括：鈦合金、銅合金、鈷基合金、鎳基合金、鋼等材料。
EBSM適用行業(yè)領(lǐng)域：航空航天、汽車、醫(yī)療植入物等領(lǐng)域。

電弧增材制造（(Wire and arc additive manufacturing, WAAM)）采用電弧或等離子弧作為熱源，將金屬絲材熔化逐層沉積成形，制造出接近產(chǎn)品形狀和尺寸要求的三維金屬坯件，再輔以少量機械加工最終達到產(chǎn)品的使用要求。是一種金屬材料近凈成形制造技術(shù)。電弧增材制造技術(shù)被歐洲航天局稱為一種低能耗、可持續(xù)的綠色環(huán)保制造技術(shù)，特別適用于難加工、貴金屬零件的增材制造。

金屬增材制造用原材料
增材制造是數(shù)字化技術(shù)、新材料技術(shù)、光學(xué)技術(shù)等多學(xué)科發(fā)展的產(chǎn)物。其工作原理可以分為兩個過程：其一是數(shù)據(jù)處理過程，利用三維計算機輔助設(shè)計（CAD）數(shù)據(jù)，將三維CAD圖形分切成薄層，完成將三維數(shù)據(jù)分解為二維數(shù)據(jù)的過程；其二是制作過程，依據(jù)分層的二維數(shù)據(jù)，采用所選定的制造方法制作有與數(shù)據(jù)分層厚度相同的薄片，每層薄片按序疊加起來，構(gòu)成三維實體，實現(xiàn)了從二維薄層到三維實體的制造過程。增材制造技術(shù)綜合了材料、機械、控制及軟件等多學(xué)科知識，屬于一種多學(xué)科交叉的先進制造技術(shù)。

為滿足增材制造的工藝需求，金屬增材制造用原料形式主要有：金屬粉末和金屬絲材。粉末是最常用的金屬增材制造原材料，可用于激光選區(qū)熔化成形、激光熔化沉積成形、電子束選區(qū)熔化成形等多種增材制造工藝。

金屬粉末是指金屬顆粒尺寸小于1mm顆粒的集合，包括純金屬粉末、合金粉末以及具有金屬性質(zhì)的化合物粉末等。不同于粉末冶金用粉末，增材制造由于其特殊的工藝過程，對金屬粉末的顆粒度、球形度、氧含量、形貌等特性有較高的要求。不同的增材制造工藝類型和制件精度要求，金屬增材制造對原料粉體的粒度要求也不同。除了對粉末的粒度要求以外，增材制造用金屬粉末還需要具有很高的純度，雜質(zhì)元素少，形貌上要求粉末球形度高，衛(wèi)星化顆粒少。鋪粉式增材制造要求粉末具有較好的流動性與較高的松裝密度。研究表明，即使增材制造設(shè)備經(jīng)過不懈的完善，增材制造零件的質(zhì)量仍然會受到粉末品質(zhì)的制約。

金屬粉末的形貌是影響增材制造成形過程及制件性能的重要因素。此外，粉末的顆粒度及其粒度分布對增材制造成形過程及其質(zhì)量同樣具有重要的影響，不同的熱源（激光、電子束）和不同增材制造工藝（送粉、鋪粉）對粉末的粒度要求也不盡相同。金屬粉末的特性決定了增材制造工藝參數(shù)的制定，并在很大程度上影響了增材制造成形的性能�？茖W(xué)、準(zhǔn)確地對增材制造用金屬粉末特性進行表征和評價對于保證增材制造過程的重復(fù)性和制件性能十分關(guān)鍵。這些都需要依據(jù)規(guī)范及檢測標(biāo)準(zhǔn)，采用儀器結(jié)合電腦軟件進行定量分析。

金屬增材制造原材料的品質(zhì)和價格直接影響了增材制造產(chǎn)品的質(zhì)量和成本競爭力。因此高品質(zhì)、低成本的金屬粉末和絲材一直是增材制造技術(shù)發(fā)展的重點，同時也是增材制造快速發(fā)展的基礎(chǔ)，很大程度決定了該技術(shù)未來是否可以普及應(yīng)用。

金屬粉末產(chǎn)品作為增材制造的主要原材料，目前應(yīng)用的領(lǐng)域主要包括：

• 工業(yè)模具材料如：MS1、CX、17-4ph 等；
• 創(chuàng)意設(shè)計領(lǐng)域如：銅合金、AlSi10Mg、316L；
• 航空航天領(lǐng)域如：TC4、Inconel 718 等；
• 生物醫(yī)療領(lǐng)域如：CoCr 合金、鈦及鈦合金、鉭金屬等；
• 科學(xué)研究應(yīng)用材料如：因瓦合金、高熵合金、鎢金屬等。
  

增材制造用金屬粉末制備方法
按金屬粉末制備過程的實質(zhì)劃分，現(xiàn)有金屬粉末制備方法分為兩大類：機械法、物理化學(xué)法。

機械法：將金屬原料依靠擠壓、沖擊、磨削等作用機械性地粉碎，而其本身的化學(xué)成分基本不發(fā)生改變，從而獲得金屬粉末的工藝。該方法尤其適用于脆性金屬及其合金。機械法主要有機械破碎法和霧化法。

物理化學(xué)法：通過物理作用或化學(xué)反應(yīng)，改變原材料的自身的凝聚狀態(tài)或者化學(xué)成分而獲得金屬或合金粉末的工藝。如還原法、電解法、羥基法等。

金屬增材制造的技術(shù)難點
金屬增材制造的技術(shù)難點包括熱物理和物理冶金問題：
熱物理問題-增材制造過程中金屬材料的熱物理問題主要包括以下三點：
（1）加工溫度劇烈變化，材料會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力；
（2）材料處于非均勻循環(huán)的固態(tài)相變過程，產(chǎn)生組織應(yīng)力；
（3）材料出現(xiàn)強約束激冷凝固，產(chǎn)生凝固收縮應(yīng)力。

上述熱物理問題，會造成制造過程中材料出現(xiàn)變型或開裂，導(dǎo)致產(chǎn)品成為廢品。

物理冶金問題-增材制造過程中，材料的固態(tài)相變過程復(fù)雜，晶粒形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)難以控制，容易出現(xiàn)內(nèi)部缺陷影響材料的力學(xué)性能，導(dǎo)致產(chǎn)品的剛性、韌性、拉伸度、抗疲勞性無法滿足需求。

金屬增材制造企業(yè)逐漸解決熱物理和物理冶金問題，材料性能已達到鍛造水平。金屬增材制造企業(yè)，通過對材料性能的不斷研究和對生產(chǎn)工藝的持續(xù)改善，摸索出初步解決金屬增材制造技術(shù)難題的工藝，產(chǎn)品性能已超過鑄造并達到鍛造水平。


金屬增材制造用原材料供應(yīng)商

全球及我國的金屬3D打印原材料供應(yīng)商

在全球范圍內(nèi)，金屬 3D 打印原材料供應(yīng)商主要有以下公司

資料來源：OFweek產(chǎn)業(yè)研究中心整理制表

金屬增材制造市場概況
金屬3D打印的發(fā)展現(xiàn)狀及市場規(guī)模

無論在全球范圍內(nèi)還是我國市場內(nèi)，3D打印的行業(yè)規(guī)模都呈現(xiàn)快速增長。據(jù)咨詢機構(gòu)Wohlers Associates統(tǒng)計，2013年全球3D打印行業(yè)總產(chǎn)值為30.3億美元，2018年達到了96.8億美元，5年間的復(fù)合增速達26.1%，該機構(gòu)同時預(yù)測到2020年、2022年、2024年，全球3D打印行業(yè)總產(chǎn)值將分別有望達到158億美元、239億美元、356億美元，即從2019年-2024年間，全球3D打印行業(yè)仍將保持著年均24%左右的復(fù)合增速。金屬3D打印行業(yè)的市場潛力巨大，據(jù)3D打印行業(yè)研究組織SmarTech Analysis在2019年的分析稱，全球金屬3D打印市場規(guī)模，包括3D打印設(shè)備、材料和服務(wù)，預(yù)計在2024年將達到110億美元。因此，結(jié)合兩家國外機構(gòu)的數(shù)據(jù)，保守預(yù)估，全球金屬3D打印行業(yè)未來5年間的復(fù)合增速保持在20%以上，到2024年的市場規(guī)模將達到110億美元。

資料來源：鉑力特招股說明書，OFweek激光網(wǎng)，wohlers associates等

相比全球平均水平，我國3D行業(yè)的市場規(guī)模增速更高，2013年國內(nèi)3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模僅3.2億美元，2018年規(guī)模達23.6億美元，5年的復(fù)合增速達49.1%。預(yù)計2023年，我國3D打印行業(yè)總收入將超過100億美元。

資料來源：鉑力特招股說明書 OFweek產(chǎn)業(yè)研究中心整理制表

從歷史的數(shù)據(jù)來看，我國的3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模占全球的比例持續(xù)提升，2012年該比例僅為7.08%，到2018年提升到了24.38%，中國作為全球最大的制造業(yè)基地和消費大國，未來仍有巨大潛力。

資料來源：鉑力特招股說明書，wohlers associates OFweek產(chǎn)業(yè)研究中心整理制表

中國3D打印市場超速發(fā)展，未來五年增長水平高于全球市場

中國市場超速發(fā)展，有望保持30%的年均增長率
上個世紀(jì)九十年代，我國的一批科研院所開啟了3D打印研究工作，經(jīng)過近三十多年的科技攻關(guān)，中國3D打印產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模，產(chǎn)值在全球的占比也不斷上升。根據(jù)沃勒斯發(fā)布的報告顯示，2011年-2016年我國3D打印市場規(guī)模從10億元躍升至80億元。在全球市場的比重也不斷上升，2016年占比將近18%。

自2015年，在黨的十七大“加快建設(shè)制造強國，加快發(fā)展先進制造業(yè)”思想的指導(dǎo)下，我國發(fā)布了一系列推動“增材制造”產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策，并且將“增材制造”納入國家重點發(fā)展領(lǐng)域�！笆�三五規(guī)劃”為國內(nèi)3D打印技術(shù)進一步開展指明了方向，在政策的指導(dǎo)和科研人員的不斷努力下，近五年來我國的3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛。根據(jù)2020年3月我國工信部電子信息產(chǎn)業(yè)研究部門發(fā)布的《2019年全球及中國3D打印行業(yè)數(shù)據(jù)》，2016年-2019年間，我國的3D打印產(chǎn)值增長一倍，2019年產(chǎn)業(yè)規(guī)模為157.5億元，較2018年增加31.1%。預(yù)計到2020年，將以32.06%的增速，實現(xiàn)208億元的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。美國國際數(shù)據(jù)集團（IDG）也預(yù)測，中國3D打印市場規(guī)模在近五年內(nèi)將以高于全球3D產(chǎn)業(yè)的速度增長，有望保持30%以上的年均增長率，到2023年突破306億元。

△中國3D打印市場規(guī)模

2020年2月，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會聯(lián)合六部門發(fā)布《增材制造標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)航行動計劃(2020-2022年)》，提出“到2022年，立足國情、對接國際的增材制造新型標(biāo)準(zhǔn)體系基本建立”。此外，為提升國際競爭水平，計劃研制出80-100項增材制造“領(lǐng)航”標(biāo)準(zhǔn)，并推動國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)國際化，轉(zhuǎn)化率將達到90%。

中國3D打印行業(yè)相比歐美發(fā)達國家起步較晚，但在下游需求牽引及政策支持下實現(xiàn)快速追趕。在行業(yè)發(fā)展初期，我國3D打印行業(yè)存在著產(chǎn)業(yè)鏈不完整、原材料不成熟、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)混亂等問題，隨著2015年《中國制造2025》戰(zhàn)略出臺并實施，各級地方政府積極推進地區(qū)規(guī)劃政策落實，中國3D打印產(chǎn)業(yè)逐漸走向成熟，與世界先進水平差距不斷縮小，市場呈現(xiàn)快速增長趨勢。

近年來，我國高度重視3D打印市場的發(fā)展，不斷出臺政策進行產(chǎn)業(yè)扶持。2021年6月，《2021年度實施企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“領(lǐng)跑者”重點領(lǐng)域》將增材制造行業(yè)納入2021年度實施企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“領(lǐng)跑者”重點領(lǐng)域。此外，《增材制造標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)航行動計劃》，提出到2022年，立足國情、對接國際的增材制造新型標(biāo)準(zhǔn)體系基本建立。

△國家政策大力支持 3D 打印行業(yè)發(fā)展

資料來源：工信部、發(fā)改委等部門，OFweek產(chǎn)業(yè)研究中心整理制表