国内3D打印行业现状分析

我国在3D打印的消费级和工业级领域起步很晚，在技术和应用方面与美国差距明显。

3D打印是一个跨行业的产业，需要CNC技术——computer numerial control数控机床技术和材料科技的共同进步和发展，但是我国本身在这两个领域和欧美发达国家相比就是落后的，当跨行业的时候，更是举步维艰。严格的说，在工业级3D打印机领域我国目前还没有一个企业可以生产商业化的产品，在整个行业的技术和产业化的积累已经比欧美先进企业落后了20年。

目前国内有一些从事3D打印机生产的中小企业，大致可分为三类：一是过去为国外相关企业提供配套产品，如今转向基础研发工作，能够制造简单的3D打印设备和耗材，其产品都是消费级的低端普及型产品，靠中国特色的低成本在国外市场生存；二是成为国外3D打印设备的代理商，经销打印设备、成型软件和特种材料；三是专注于应用领域，购买了国内外各类3D打印设备，专门为相关企业的研发、生产提供服务。

2012年，工信部副部长苏波宣布 “将进一步推动3D打印产业化，并制定3D打印路线图与中长期发展策略，准备在四川成都建立3D打印技术园区，投资规模约5亿元，再投资2亿元，成立3D打印技术协会。”

我国在高端3D打印的技术开发和积累居于世界领先地位

为什么我国在消费级和工业级3D打印机产业领域如此落后的情况下，在高端3D打印领域处于世界领先地位呢？

实际上，我国的高端3D打印在产业化的道路上也是远远落后与西方的，但是在不计成本的个别定制和开发方面，我国已经掌握世界上钛金属粉末SLS的核心技术，同时解决了钛金属SLS致密度和强度的问题，可以打印出来世界上最大体积的钛金属结构件。

钛是一种密度只有钢铁的一半，强度却远胜于绝大多数合金的材料，被广泛用于航天航空业。美国是最早开发钛合金3D打印技术的国家。1985年，美国就在国防部的主导下秘密开始了钛合金激光成形技术的研究，并在1992年公之于众。随后美国继续研发这一技术，并在2002年将激光成形的钛合金零件装上战机试验。

然而，因为在制造过程中钛合金变形、断裂的技术难题无法解决，美国始终无法生产高强度、大尺寸的激光成形钛合金构件。2005年，美国从事钛合金激光成型制造业务的商业公司Aeromet由于始终无法生产出性能满足主承力要求的大尺寸复杂钛合金构件，没有实现有价值的市场应用而倒闭。美国的其他国家实验室也无法攻克这一难题，目前只能进行小尺寸钛合金部件的打印和钛合金零件表面修复。

我国的钛合金激光成形技术起步较晚，直到1995年在美国解密其研发计划3年后中国才开始投入研究。早期基本属于跟随美国的学习，在全国多所大学和研究所设立实验室进行研究。

在国家特别是军方资金的持续支持下，经过数年研发，解决了“惰性气体保护系统”、“热应力离散”、“缺陷控制”、“晶格生长控制”等多项世界技术难题，我们已经有能力生产出结构复杂、尺寸达到4m量级、性能满足主承力结构要求的产品，已经可以满足航天航空的直接制造的要求。

2013年1月18日，国务院向北京航空航天大学教授王华明为带头人的团队——“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”颁发国家技术发明奖一等奖。目前，这一技术在我国已经投入工业化制造，使我国成为继美国之后、世界上第二个掌握飞机钛合金结构件激光快速成形及技术的国家。

更加令人欣喜的是，在性能上，根据公开的材料表明，我国已经能够生产优于美国的激光成形钛合金构件。成为目前世界上唯一掌握激光成形钛合金大型主承力构件制造且付诸实用的国家。

我国高端钛金属SLS技术主要应用领域

在解决了材料变形和缺陷控制的难题后，中国生产的钛合金结构部件迅速成为中国航空研制的一项独特优势。由于钛合金重量轻，强度高，钛合金构件在航空领域有着广泛的应用前景。目前，先进战机上的钛合金构件所占比例已经超过20%。

传统的钛合金零件制造主要依靠铸造和锻造。其中铸造零件易于大尺寸制造，但重量较大且无法加工成精细的形状，美国F-22战机的主要承力部件便是大型铸造钛合金框。锻造切削虽然精度较好，但是零件制造浪费严重，原料的95%都会被作为废料切掉，而且锻造钛合金的尺寸受到严格的限制：3万吨大型水压机只能锻造不超过0.8平方米的零件，即使世界上最大的8万吨水压机，锻造的零件尺寸也不能超过4.5平方米。而且这两种技术都无法制造复杂的钛合金构件，而焊接则会遇到可怕的钛合金腐蚀现象。

激光钛合金成形技术则完全解决了这一系列难题，由于采用叠加技术，它节约了90%十分昂贵的原材料，加之不需要制造专用的模具，原本相当于材料成本1~2倍的加工费用现在只需要原来的10%。加工1吨重量的钛合金复杂结构件，粗略估计，传统工艺的成本大约是2500万元，而激光3D烧结快速成型技术的成本仅130万元左右，其成本仅是传统工艺的5%。

更重要的是，许多复杂结构的钛合金构建可以通过3D打印的方式一体成型，不仅节省了工时，还大大提高了材料强度。F-22的钛合金锻件如果使用中国的3D打印技术制造，在强度相当的情况下，重量最多可以减少40%。

目前，我国已经具备了使用激光成形超过12平方米的复杂钛合金构件的技术和能力，并投入多个国产航空科研项目的原型和产品制造中。成为目前世界上唯一掌握激光成形钛合金大型主承力构件制造并且装机工程应用的国家。

图 中国钛合金3D打印机制造的大型承力零件

在中航成飞和沈飞的下一代战斗机的设计研发中，激光钛合金成形技术已经得到了广泛运用。通过这一技术，正在研制的两种第五代战斗机歼-20和歼-31采用钛合金的主体结构，成功降低了飞机的结构重量，提高了战机的推重比；依托激光钛合金成形造价低、速度快的特点，沈飞在一年之内连续组装出歼-15、歼-16、歼-31等多型战斗机并且进行试飞。

民用航空制造业也开始应用这一技术。目前，在西北工业大学凝固技术国家重点实验室下设的激光制造工程中心，通过立体光固化成型技术为将于2014年投产，并在2016年投入运营的国产客机C919制造了钛合金翼梁，长度超过5米。

除了制造外，这些部件在出现问题后，也将可以使用同样的技术进行修复，而无需重新制造，这将可以节省大量用于更换受损部件的费用。

凭借激光钛合金成形技术，中国在航空材料科学领域第一次走在了世界先进水平的前列，并为中国航空工业的发展打下了坚实的基础。