中美欧金属材料3D打印技术的发展状况
继3D打印塑料枪支引发广泛争议后，美国得克萨斯州一家仪器公司宣布用金属粉末成功制造并测试了世界上第一支3D打印金属枪（组装和试射视频）。其问世将改变人们对3D打印产品精确或强度不够的既有印象。
日前问世的全球首支3D打印金属枪，原型模板为经典的M1911式手枪，由总部位于得州奥斯汀的3D打印公司“固体概念”(Solid Concepts)团队设计并制造。团队成员根据网上的1911蓝图3D建模后用DMLS（直接金属激光烧结）技术加热金属粉末使其凝固成型，DMLS技术已超过M1911枪支对零件的精度要求，再经过各种打磨以及调整枪膛等工艺，最后予以组装。其有超过30个3D打印原件，包括不锈钢和一些镍镉铁合金材料，而弹簧和弹匣则为外购，发射仍需匹配实弹。
“固体概念”公司副总裁肯特·费尔斯通表示，这种整体概念是为了证明3D打印这一技术的可靠性、准确性和实用性。目前该枪已通过连发50多发子弹的耐力射击测试，精准度不逊于常规武器。
在金属材料研究方面，美国的优势最发达的是金属材料在军事和航空航天领域的应用。
众所周知，美国的军事、航空航天实力全球第一，这也得益于美国在这两个领域全球领先的金属材料研发能力。近年来，增材制造（即3D打印）迅速升温，美国也于2012年10月在俄亥俄州扬斯顿成立了首个世界前沿的国家增材制造创新研究所（NAMII），以巩固其在增材制造领域的优势。其它主要的研究所还有国家级的美国金属加工技术国家中心；大学科研级的MIT、西北大学、康涅狄格大学等和波音、通用等企业为代表。
与美国航空航天局一样，欧洲航天局正在积极研究使用3D打印技术制造航天器、飞机、甚至核聚变的金属部件。名为AMAZE（针对迈向零废物及高效生产的高新金属制品制造）的项目计划五年内完善金属3D打印技术。
欧空局表示新的金属3D打印技术可以承受的温度高达摄氏3500度，远远超过传统使用塑料粉末的3D打印温度极限。欧洲宇航局正在欧盟内与工业和教育的合作伙伴联合开发大规模制造金属的3D打印方法。 最终目标是五年内完善金属部件3D打印。
AMAZE项目正如它名字所暗示的一样，目标是减少浪费，降低生产成本。三维打印技术还可以帮助工程师制造传统方法无法制造的零部件。欧洲航天局表示，这项计划今年1月已经拉开序幕，现在的工作主要是在法国、德国、意大利、挪威和英国建立一个可靠的产业供应链。
“中国的3D打印技术在金属零件制造方面走在世界前列，并且在飞机制造中应用。”近日在创新驱动与转型发展学术活动周首场专题报告上我国著名激光增材制造领域专家王华明教授在介绍3D打印技术的应用状况时如是说，“3D打印主要应用在结构复杂、性能要求高、制作成本大及较为大型的设备制造方面最具优势。3D打印技术在生物医学方面的前景也很广阔，比如3D打印技术与细胞工程技术结合，可对人体进行器官修复。”
据了解，武汉武钢华工激光大型装备有限公司将于明年开始生产3D打印金属材料，这将使湖北省率先实现由金属材料通过3D打印出的零部件直接装上设备的技术。
华中科技大学材料学院教授、滨湖机电董事长史玉升很看重武钢金属材料技术优势。据了解滨湖机电今年研发出世界上最大的3D打印机，该公司目前正在与武钢商谈共同开发打印用金属颗粒的方案。而此前史玉升也曾表示，“如果国内出现了专营陶瓷或者金属的3D材料供应店，那时的3D打印行业才算是真正成熟了。”此次项目若进展顺利，这将使工业级3D打印有长期的材料供应渠道，而武钢也将获得数十倍的产品附加值收益。
金属材料的3D打印制造技术
一般而言，激光快速成型需要用高功率的激光照射试件表面，融化金属粉末，形成液态的熔池，然后移动激光束，熔化前方的粉末而让后方的金属液冷却凝固。周边需要有送粉装臵、惰性气体保护、喷头控制等来配套。
金属材料的3D打印制造技术之所以难度大，是因为金属的熔点比较高，涉及到了金属的固液相变、表面扩散以及热传导等多种物理过程。需要考虑的问题还包括，生成的晶体组织是否良好、整个试件是否均匀、内部杂质和孔隙的大小等等。另外，快速的加热和冷却还将引起试件内较大的残余应力。为了解决这些问题，一般需要在多种制造参数配合，例如激光的功率和能量分布、激光聚焦点的移动速度和路径、加料速度、保护气压、外部温度等等。
图表1：激光快速成型技术制作金属零件
在所有金属合金中，钛合金尤其受到重视。因为钛合金密度低、强度高、耐腐蚀、熔点高，所以是理想的航天航空材料。但是由于钛合金硬而且脆，所以不宜用切割和铸造的方式来成型。反而是由于它导热率低，在加热时热量不会发散引起局部变形，比较适合利用激光快速成型技术。最后，钛合金材料价格高，利用3D打印技术能够在减轻飞行器重量的同时节省原材料的成本。
图表2：快速加热和冷却导致了试件内的残余应力
针对金属材料的3D打印，历史上在不同的研究所里演化出了很多种不同的技术种类，但是基本的原理可以说大同小异。这些技术大多开始于90年代中期，晚于以树脂和塑料为原料的FDM、SLA和SLS等技术。我国差不多也在同期开始了此方向的研究。
图表3：钛合金、不锈钢和铝合金的性能对比
激光成型的零件在静态力学性能上不比锻压的差，但由于加工时间很长，外界扰动会造成宏观结构上不均一，疲劳性能上还存在差距。
图表4：激光快速成型技术制作金属零件的技术
图表5：世界各地的金属3D打印公司
3DSystems作为世界上市值最大的3D打印公司，有sPro？125/250DirectMetal两款金属材料打印机产品，使用的是用激光烧结金属粉末层的技术，最大的加工尺寸为250×250×320mm，可用的材料包括不锈钢、钛、钴铬合金及工具钢等。在40余种的产品型号中，直接金属制造的打印机产品仍属少数。
3DSystems在今年7月份以1500万美元收购了法国的PhenixSystems（EPA：ALPHX）81%的股份。这家公司2000年成立，所提供的3款3D打印设备的技术路线也是通过激光来烧结层层铺叠的金属粉末，最大零件尺寸250×250×300mm。金属粉末利用自己公司的专利技术生产，包括不锈钢、非铁合金和贵金属等，同时也可以使用SINT-TECH公司提供的马氏体钢和铬钴合金粉末。除了机械零部件外，所制造的设备还可应用于生产无镍钴铬的假牙。2012年收入380万欧元，其中在法国收入149万欧元，法国以外收入231万欧元，营业利润为亏损202万欧元。
图表6：PhenixSystems设备的技术流程
ArcamAB是一家瑞典企业，于1997年成立，在NASDAQOMX斯德哥尔摩上市（STO：ARCM），在美国、意大利、中国和英国设有办公室。与其他公司不同，该公司采用的是电子束快速成型技术而非激光快速成型。与激光相比，电子束的能量更大，因此融化金属粉末的速度更快；对于表面反光的零件，电子束更有优势；另外，电子束的能量转换效率高，更节省能源。总体而言，制造出的零件质量更高。但是，电子束的缺点在于需要在真空环境中使用，比起激光所需要的惰性气体保护，要求更为复杂；电子束枪的使用没有激光器方便。
ArcamAB公司的2款打印机产品主要针对的是航天工业和外科整形市场，能制作的最大零件尺寸为200×200×180mm，同时提供多种型号的钛合金粉末和钴铬合金粉末。在外科整形市场上，ArcamAB公司自2007年以来，在全球已提供了3万件以上的植入物。
今年上半年公司实现收入9210万瑞典克朗（约合1414万美元），同比增长80%。净利润760万瑞典克朗（约合117万美元）。
图表7：电子束快速成型技术示意图
总部位于美国的ExOne公司成立于2005年，从母公司ExtrudeHone独立，今年2月份在纳斯达克IPO（NASDAQ：XONE）。
Exone公司提供两种增材制造系统，分别用来打印砂型和金属零件，技术分别起源于德国一家叫做Generis和MIT。砂型的尺寸最大能够做到1800×1000×700mm，而金属的尺寸能够做到780×400×400mm。其所采用的是最早被称作“3D打印”的技术，即用喷头在砂型或者金属粉末中打印粘接剂，扫描成型。对于金属材料，将打印出的模型去掉多余部分，然后在炉中加热去除粘接剂，同时融化金属粉末使之粘结，必要时进行二次加热去除材料中的空隙。除了沙子和金属外，还可以制作玻璃制品。
在制造设备的同时，ExOne还提供打印服务和解决方案。2012年ExOne总共卖出了13套系统，在全世界共设立有6家服务点。今年上半年，实现收入1720万美元，同比增长132%，亏损700万美元。另外，还有一家在历史上有名的金属3D打印公司叫做AeroMet。它于1997作为MTS的子公司成立，合作方包括JohnsHopkins大学和PennState大学等，开发的钛合金激光快速成型技术被称为Lasform，与多家航空设备公司进行过合作开发，持续收到政府部门资助和企业订单。所采用的技术能够制成的零件尺寸达到2400×900×225mm。但是由于零件的疲劳性能仍然差于锻件，同时成本过高，无法批量装备，随着不少型号的飞机陆续结束试制阶段，最终AeroMet在2005年被关闭。
作为3D打印公司的龙头Stratasys，目前并未有能够制造金属的产品，但是他们表示将通过并购等方式进入到此领域。而SigmaLabs是一家由LosAlamos国家实验室的科学家成立的公司，在OTC市场上交易，提供3D打印技术的软件平台，目前正在与GE合作开发金属零部件的打印技术。
图表8：AeroMet的惰性气体保护箱能够支持较大的零件成型
除了设备以外，作为耗材的金属粉末也十分重要，尤其是钛合金粉末。据估计，全世界每年共消费14万吨钛，总价达到40亿美元。这些钛大多是通过镁或者钠还原的方法生产海绵钛，钛粉的主要生产方法是氢化脱氢法。目前以粉末形式被消耗钛占比还很小。
图表9：钛合金粉末
3D打印技术对于钛粉的要求更高，例如其形状、大小分布以及纯度等。以氢化脱氢法制造的钛粉，形状不规则，大小不均匀，影响到粉末的堆积成型，所以很难用于3D打印中，而需要采取气雾化法或者旋转电极法来制备。这些技术的难度不是很高。
图表10：等离子雾化法制备钛合金粉末
然而，不同的3D打印技术除了对设备的要求不同，对于原料粉末的要求也不同。换句话说，不同材料的打印需要有不同的设备与工艺与之相配合。所以，绝大多数的设备厂商都是设备、工艺、材料包括软件同时在做，在出售设备的同时，耗材也是他们收入的重要来源。
图表11：氢化脱氢法制备的钛粉末（上图）从形状和大小上都不如雾化法制备的（下图）均匀
除了专门的3D打印设备厂商，各航空装备制造公司也都加快了在金属材料3D打印领域内的开发，包括波音、洛克希德马丁、NASA、空中客车、GEAviation都在尝试使用3D打印的零部件。例如，GE在它的LEAP引擎上使用了19个3D打印技术制造的部件，而这款发动机共收到4500个订单；波音在最新的787客机上使用了约30个3D打印的部件，大部分是送风道和铰链等。目前为止批量装备3D打印零件的案例还很少，尤其是大型结构件和承力部件。
图表12：利用3D打印技术制造的A380起落架上的齿轮
图表13：GEAviation展示的3D打印技术制作的钛合金零件
另外，这些零件的尺寸都有限制，有报道的最大零件尺寸为5.8×1.2×1.2m，用于F14战机的机翼。原因在于：惰性气体保护腔或者真空腔的大小有限制，越大的腔体在使用时越为复杂；零件尺寸变大后在加工中心产生的残余应力会不断积攒，造成造成零件的变形或者开裂；大尺寸零件的堆积制造时间过长，外部环境造成干扰的概率大，同时对于激光器稳定性的要求更高；一般而言，大零件在各部位的均一性比较难保证，造成其疲劳强度会比较差。
图表14：残余应力过大会导致零件开裂
图表15：西工大制作的大型零件
3D打印技术的市场可归结为四个不同层次的需求，他们处于产业化的不同周期，在未来都有爆发的可能。其中，直接生产金属零部件的3D打印技术市场想象空间巨大，国外不少公司已经开始投入商业化生产，装备制造企业也逐渐越来越重视这一制造方式可能带来的变革。随着技术的进步和制造业要求的升级，未来几年有望看到金属快速成型技术的市场步入快速成长期。
图表16：3D打印技术的4个应用领域
3D打印技术制造金属零部件未来的发展很重要的一个方面是需要有行业标准来规范生产、加工和检测各环节，通过更多的实际测试，打消对于安全性的顾虑。另外，如果按照传统的设计模式，只是用3D打印批量制造传统加工方式便能够生产的零件，并无太大优势，所以需要在做系统设计时就将3D打印技术作为可选的加工方式之一，综合考虑设计方案和制造成本，加入复杂的外形和整体成型等。这将为未来金属3D打印技术带来更大的市场空间。
图表17：全世界3D打印市场规模迅速扩大
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