来源：维科网产业研究中心
作者：维科网产业研究中心智能制造研究员 拾壹
增材制造（additive manufacturing, AM）俗称“3D打印”，增材制造是依据三维CAD数据将材料连接制作物体的过程，相对于减材制造，它通常是逐层累加过程。3D打印也常用来表示增材制造技术。在特指设备时，3D打印是指采用打印头、喷嘴或其他打印技术沉积材料来制造物体的技术，其设备的特点是价格相对低或功能较低。
由于增材制造技术可以将三维零件离散成简单的二维层面进行加工，然后再逐层堆积成形，整个制造过程无须采用传统刀具或模具，基本无需考虑零件结构的复杂程度对于成形效果的影响，与传统加工工艺相比，增材制造技术最大的优势在于极大地提高了可加工结构的复杂程度，而且其制造成本并不随之大幅度提高，具有“免费的复杂性”优势。因此这可极大地释放零部件设计的自由度，设计者可以充分发挥想象力，无须拘泥于传统制造中所遵循的工艺约束。工艺约束不再是设计过程中首要考虑的因素，设计人员可以将精力集中在如何通过优化设计提升部件性能，对多个零部件进行一体化设计、轻量化设计、创建复杂的内部几何造型等。
目前，增材制造已发展出激光增材制造、电子束增材制造和电弧增材制造三大类。
激光增材制造技术（Laser Additive Manufacturing, LAM）是一种以激光为能量源的增材制造技术。采用离散化手段逐点或逐层“堆积”成形原理，依据产品三维CAD模型，快速“打印”出产品零件。通常，用于金属增材制造的工艺有两种，包括激光直接沉积LDMD和激光选区熔化SLM。
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根据所用原材料的形态和送进方式，电子束增材制造技术可分为基于熔化同步送进丝材的电子束熔丝增材制造和基于预铺粉的电子束选区熔化增材制造。我们在这里只重点介绍电子束选区熔化增材制造。
电子束选区熔化增材制造(Electron Beam Selective Melting,EBSM) 利用计算机把零件的三维模型进行分层处理，获得各层截面的二维轮廓信息并生成加工路径，电子束按照预定的路径进行二维图形的填充扫描，熔化预先铺放的金属粉末，逐层堆积，最终实现致密金属零件的近净成形直接制造。
EBSM适用加工金属材料包括：钛合金、铜合金、钴基合金、镍基合金、钢等材料。
EBSM适用行业领域：航空航天、汽车、医疗植入物等领域。
电弧增材制造（(Wire and arc additive manufacturing, WAAM)）采用电弧或等离子弧作为热源，将金属丝材熔化逐层沉积成形，制造出接近产品形状和尺寸要求的三维金属坯件，再辅以少量机械加工最终达到产品的使用要求。是一种金属材料近净成形制造技术。电弧增材制造技术被欧洲航天局称为一种低能耗、可持续的绿色环保制造技术，特别适用于难加工、贵金属零件的增材制造。
金属增材制造用原材料
增材制造是数字化技术、新材料技术、光学技术等多学科发展的产物。其工作原理可以分为两个过程：其一是数据处理过程，利用三维计算机辅助设计（CAD）数据，将三维CAD图形分切成薄层，完成将三维数据分解为二维数据的过程；其二是制作过程，依据分层的二维数据，采用所选定的制造方法制作有与数据分层厚度相同的薄片，每层薄片按序叠加起来，构成三维实体，实现了从二维薄层到三维实体的制造过程。增材制造技术综合了材料、机械、控制及软件等多学科知识，属于一种多学科交叉的先进制造技术。
为满足增材制造的工艺需求，金属增材制造用原料形式主要有：金属粉末和金属丝材。粉末是最常用的金属增材制造原材料，可用于激光选区熔化成形、激光熔化沉积成形、电子束选区熔化成形等多种增材制造工艺。
金属粉末是指金属颗粒尺寸小于1mm颗粒的集合，包括纯金属粉末、合金粉末以及具有金属性质的化合物粉末等。不同于粉末冶金用粉末，增材制造由于其特殊的工艺过程，对金属粉末的颗粒度、球形度、氧含量、形貌等特性有较高的要求。不同的增材制造工艺类型和制件精度要求，金属增材制造对原料粉体的粒度要求也不同。除了对粉末的粒度要求以外，增材制造用金属粉末还需要具有很高的纯度，杂质元素少，形貌上要求粉末球形度高，卫星化颗粒少。铺粉式增材制造要求粉末具有较好的流动性与较高的松装密度。研究表明，即使增材制造设备经过不懈的完善，增材制造零件的质量仍然会受到粉末品质的制约。
金属粉末的形貌是影响增材制造成形过程及制件性能的重要因素。此外，粉末的颗粒度及其粒度分布对增材制造成形过程及其质量同样具有重要的影响，不同的热源（激光、电子束）和不同增材制造工艺（送粉、铺粉）对粉末的粒度要求也不尽相同。金属粉末的特性决定了增材制造工艺参数的制定，并在很大程度上影响了增材制造成形的性能。科学、准确地对增材制造用金属粉末特性进行表征和评价对于保证增材制造过程的重复性和制件性能十分关键。这些都需要依据规范及检测标准，采用仪器结合电脑软件进行定量分析。
金属增材制造原材料的品质和价格直接影响了增材制造产品的质量和成本竞争力。因此高品质、低成本的金属粉末和丝材一直是增材制造技术发展的重点，同时也是增材制造快速发展的基础，很大程度决定了该技术未来是否可以普及应用。
金属粉末产品作为增材制造的主要原材料，目前应用的领域主要包括：
- 工业模具材料如：MS1、CX、17-4ph 等；
- 创意设计领域如：铜合金、AlSi10Mg、316L；
- 航空航天领域如：TC4、Inconel 718 等；
- 生物医疗领域如：CoCr 合金、钛及钛合金、钽金属等；
- 科学研究应用材料如：因瓦合金、高熵合金、钨金属等。
增材制造用金属粉末制备方法
按金属粉末制备过程的实质划分，现有金属粉末制备方法分为两大类：机械法、物理化学法。
机械法：将金属原料依靠挤压、冲击、磨削等作用机械性地粉碎，而其本身的化学成分基本不发生改变，从而获得金属粉末的工艺。该方法尤其适用于脆性金属及其合金。机械法主要有机械破碎法和雾化法。
物理化学法：通过物理作用或化学反应，改变原材料的自身的凝聚状态或者化学成分而获得金属或合金粉末的工艺。如还原法、电解法、羟基法等。
金属增材制造的技术难点
金属增材制造的技术难点包括热物理和物理冶金问题：
热物理问题-增材制造过程中金属材料的热物理问题主要包括以下三点：
（1）加工温度剧烈变化，材料会产生较大的热应力；
（2）材料处于非均匀循环的固态相变过程，产生组织应力；
（3）材料出现强约束激冷凝固，产生凝固收缩应力。
上述热物理问题，会造成制造过程中材料出现变型或开裂，导致产品成为废品。
物理冶金问题-增材制造过程中，材料的固态相变过程复杂，晶粒形态和微观结构难以控制，容易出现内部缺陷影响材料的力学性能，导致产品的刚性、韧性、拉伸度、抗疲劳性无法满足需求。
金属增材制造企业逐渐解决热物理和物理冶金问题，材料性能已达到锻造水平。金属增材制造企业，通过对材料性能的不断研究和对生产工艺的持续改善，摸索出初步解决金属增材制造技术难题的工艺，产品性能已超过铸造并达到锻造水平。
金属增材制造用原材料供应商
全球及我国的金属3D打印原材料供应商
在全球范围内，金属 3D 打印原材料供应商主要有以下公司
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金属增材制造市场概况
金属3D打印的发展现状及市场规模
无论在全球范围内还是我国市场内，3D打印的行业规模都呈现快速增长。据咨询机构Wohlers Associates统计，2013年全球3D打印行业总产值为30.3亿美元，2018年达到了96.8亿美元，5年间的复合增速达26.1%，该机构同时预测到2020年、2022年、2024年，全球3D打印行业总产值将分别有望达到158亿美元、239亿美元、356亿美元，即从2019年-2024年间，全球3D打印行业仍将保持着年均24%左右的复合增速。金属3D打印行业的市场潜力巨大，据3D打印行业研究组织SmarTech Analysis在2019年的分析称，全球金属3D打印市场规模，包括3D打印设备、材料和服务，预计在2024年将达到110亿美元。因此，结合两家国外机构的数据，保守预估，全球金属3D打印行业未来5年间的复合增速保持在20%以上，到2024年的市场规模将达到110亿美元。
资料来源：铂力特招股说明书，OFweek激光网，wohlers associates等
相比全球平均水平，我国3D行业的市场规模增速更高，2013年国内3D打印产业规模仅3.2亿美元，2018年规模达23.6亿美元，5年的复合增速达49.1%。预计2023年，我国3D打印行业总收入将超过100亿美元。
资料来源：铂力特招股说明书 OFweek产业研究中心整理制表
从历史的数据来看，我国的3D打印产业规模占全球的比例持续提升，2012年该比例仅为7.08%，到2018年提升到了24.38%，中国作为全球最大的制造业基地和消费大国，未来仍有巨大潜力。
资料来源：铂力特招股说明书，wohlers associates OFweek产业研究中心整理制表
中国3D打印市场超速发展，未来五年增长水平高于全球市场
中国市场超速发展，有望保持30%的年均增长率
上个世纪九十年代，我国的一批科研院所开启了3D打印研究工作，经过近三十多年的科技攻关，中国3D打印产业已初具规模，产值在全球的占比也不断上升。根据沃勒斯发布的报告显示，2011年-2016年我国3D打印市场规模从10亿元跃升至80亿元。在全球市场的比重也不断上升，2016年占比将近18%。
自2015年，在党的十七大“加快建设制造强国，加快发展先进制造业”思想的指导下，我国发布了一系列推动“增材制造”产业发展的政策，并且将“增材制造”纳入国家重点发展领域。“十三五规划”为国内3D打印技术进一步开展指明了方向，在政策的指导和科研人员的不断努力下，近五年来我国的3D打印产业发展迅猛。根据2020年3月我国工信部电子信息产业研究部门发布的《2019年全球及中国3D打印行业数据》，2016年-2019年间，我国的3D打印产值增长一倍，2019年产业规模为157.5亿元，较2018年增加31.1%。预计到2020年，将以32.06%的增速，实现208亿元的产业规模。美国国际数据集团（IDG）也预测，中国3D打印市场规模在近五年内将以高于全球3D产业的速度增长，有望保持30%以上的年均增长率，到2023年突破306亿元。
△中国3D打印市场规模
2020年2月，国家标准化管理委员会联合六部门发布《增材制造标准领航行动计划(2020-2022年)》，提出“到2022年，立足国情、对接国际的增材制造新型标准体系基本建立”。此外，为提升国际竞争水平，计划研制出80-100项增材制造“领航”标准，并推动国内标准国际化，转化率将达到90%。
中国3D打印行业相比欧美发达国家起步较晚，但在下游需求牵引及政策支持下实现快速追赶。在行业发展初期，我国3D打印行业存在着产业链不完整、原材料不成熟、技术标准混乱等问题，随着2015年《中国制造2025》战略出台并实施，各级地方政府积极推进地区规划政策落实，中国3D打印产业逐渐走向成熟，与世界先进水平差距不断缩小，市场呈现快速增长趋势。
近年来，我国高度重视3D打印市场的发展，不断出台政策进行产业扶持。2021年6月，《2021年度实施企业标准“领跑者”重点领域》将增材制造行业纳入2021年度实施企业标准“领跑者”重点领域。此外，《增材制造标准领航行动计划》，提出到2022年，立足国情、对接国际的增材制造新型标准体系基本建立。
△国家政策大力支持 3D 打印行业发展 资料来源：工信部、发改委等部门，OFweek产业研究中心整理制表
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