1序言

 

　　增材制造（Additive Manufacturing）是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件或制品的技术。由于增材制造技术不需要复杂的工模具及多道加工工艺即可快速制造出任意形状的工件与制品，30年来在技术研发和产业应用上取得了快速发展，因此成为与减材制造（切削加工为主）和等材制造（模具成形为主）并列的材料加工三大基础技术之一。增材制造，特别是实现全数字化的3D打印技术，通过零部件或整机3D打印设计以及3D打印制造达到“三减一高”（减少零件的个数、减轻质量、减少装配，制作出高复杂度零件）的目的。

 

　　23D打印技术已经成为增材制造技术的主体

 

　　3D打印技术的广泛应用不仅推动了激光、电子束等高能密度加工技术在制造业中的应用，更是有望革新制造业的设计制造全流程，是崛起中的智能制造方式，因而受到了各国政府和工程技术界的高度关注和重视。目前已经开发出的数字化增材制造技术见表1。

 

　　表1数字化增材制造技术

 

　　全国增材制造标准化技术委员会结合我国增材制造技术和标准化工作已经形成的基础和特点，推出了增材制造标准体系框架（见图1）[1]。

 

　　图1增材制造标准体系（关键技术及行业应用部分）

 

　　从图1可以看出，增材制造关键工艺、设备技术中大部分属于“3D打印技术”。由于它们最能体现增材制造的技术特征和数字化、智能化的方向，因而成为增材制造技术的主体。其中以金属粉末床熔融技术（见图2）和烧结技术为代表的金属3D打印技术，代表着增材制造的技术前沿和产业应用水平，是3D打印技术这颗皇冠上的明珠。

 

　　图2金属激光3D打印制造（粉末床激光融合）示意

 

　　3金属3D打印已经建立起比较完整的产业链

 

　　20世纪80年代，3D打印就已经开发出可以商用的技术，但最初的打印材料主要是非金属材料，因此3D打印主要用于模型、工艺品、包装品和医疗器材等非金属材料制品的制造。进入21世纪，金属3D打印技术得到了迅速发展，金属粉末的制备技术也日渐成熟，使得3D打印技术的工程应用范围从最初的产品开发原型制造、珠宝饰品、牙科和包装品制造领域，快速进入到产品制造业精密成形的各个领域，成为特殊复杂零部件和高度个性化制品最具竞争力的制造手段，其中德国EOS、美国3D System等公司的3D打印设备和相应的分层软件，一度引领3D打印技术的发展。与此同时，3D打印所用各种耗材，如非金属材料（尼龙、陶瓷等）、金属材料（不锈钢、工具钢、耐热合金、铝合金、铜等）粉末的研发、生产与供应也逐步实现了产业化和商品化。只是当前金属3D打印耗材的品种较少，价格偏高，加之打印设备投资较大及打印效率相对较低等原因，目前工程应用范围主要集中在航空航天、人造关节（包括牙齿）等非市场化产品领域及特种工模具制造行业。

 

　　在金属3D打印技术中，粉末床融合技术是目前工程中最常用的技术。其关键技术之一的打印热源，一般使用激光束或高能电子束。激光热源可进行激光熔覆及选择性激光烧结加工，高能电子束则主要进行电子束熔融加工。由于激光和电子束在加工空间的传播方式不同，造成二者的工作环境有别——激光3D打印是在空气或惰性气体（如氮气）中进行（见图3），电子束3D打印的环境则需要相当高的真空度，以减少电子束在到达工作面前与气体分子碰撞造成的能量损失（见图4）。目前这两种金属3D打印设备都已建立了研发设计和生产供应体系。