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注：試樣在試驗溫度下無負載保溫10000h后進行試驗。試驗時，在未達到屈服強度前，向試樣施加應(yīng)力速度為35MPa/min，然后以15%/min的應(yīng)變速度進行試驗，直至斷裂。

3D打印的全球首輛超級跑車

2006年8月4日，西南鋁業(yè)（集團）有限責任公司

軋制的直徑5m巨型鋁合金環(huán)件

3D打印技術(shù)又稱增材制造，起源于美國，最初由查爾斯·胡爾（Charles  Hoole）于1986年開發(fā)出光固化技術(shù)，并成立3D Systems公司。此后，經(jīng)過20多年的發(fā)展，3D打印技術(shù)日臻完善，且相關(guān)產(chǎn)品和服務(wù)銷售額也持續(xù)上升。據(jù)沃勒斯協(xié)會（Wohlers Associates）統(tǒng)計，在1992－2017年間，3D打印產(chǎn)品和相關(guān)服務(wù)業(yè)務(wù)年收入復(fù)合增長率為25.4%。在世界范圍內(nèi)，生產(chǎn)和購買3D打印機最多的國家是美國，我國占的份額很小。2020年，全世界3D打印市場份額約達120億美元，美國約占50%，歐洲約占25%，我國和日本約各占10%，其他國家和地區(qū)約占5%。

3D打印工業(yè)是一種萬能產(chǎn)業(yè)，可以制造幾乎一切產(chǎn)品，所用的材料可以是金屬或非金屬。在所用的金屬材料中，鋁合金用得最多。凡是用傳統(tǒng)工藝可以制造的零部件、物品、器械等都可以使用3D打印技術(shù)。從2019年開始，我國3D打印工業(yè)發(fā)展速度加快，在有些產(chǎn)品方面已處于全球領(lǐng)先水平，但總體上與先進國家相比還有一些差距，大約到2025年，或可成為全球領(lǐng)跑者。

3D打印汽車發(fā)動機缸體面世

2014年，全球第一輛3D打印汽車面市。該車車身上有40多個部件是用鋁合金打印的。2015年，美國發(fā)散微型制造公司（Divergent Microfactories，DM）推出了全球首款3D打印超級跑車“刀鋒（Blade）”號。

為了推廣3D打印技術(shù)在汽車工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，美國福特汽車公司（Ford）與?？怂晒荆‥xOne）于2019年組建了一個由工程師、材料科學家和制造專家組成的研究團隊，成功地以6061鋁合金為材料和3D打印技術(shù)打印出了汽車發(fā)動機缸體（engine  block）樣件。該樣件各項性能優(yōu)于預(yù)期，還節(jié)省了30%以上原材料，制造工期也大大縮短。

6061合金是一種歷史悠久且綜合性能良好的變形鋁合金，它的標定成分（質(zhì)量%）：Si0.40-0.8，F(xiàn)e0.7，Cu0.15-0.40，Mn0.15，Mg0.8-1.2，Cr0.04-0.35，Zn0.25，Ti0.15，其它雜質(zhì)單個0.05、合計0.15，其余為Al。6061合金是一類Al-Mg-Si系合金，其強化相為Mg2Si，它的Mg2Si含量≥1.4%，為了提高強度性能而加入0.25%Cu，為了抵消Cu對抗蝕性的不良影響還加入了0.2%Cr。該合金熱處理后可以得到更高的強度，但因淬火敏感性高，擠壓后需重新固溶處理以及在水中淬火才能得到較高的強度。6061合金的淬火溫度515℃-525℃，淬火后宜盡快人工時效（160℃-170℃，8h-12h，T6），才能得到較高的強度，但淬火后如在室溫停放時間大于30min再時效的話則對強度很不利。Mg2Si大于1%的合金在室溫停放24h，強度比淬火后立即時效的合金約低10%。這種現(xiàn)象叫“停放效應(yīng)”或“時效滯后現(xiàn)象”。但是，Mg2Si小于0.9%的合金，停放時間長反而對強度有利。這種效應(yīng)與在室溫停放期間形成的空位－溶質(zhì)原子集團的形核能力和臨界形核溫度TC的高低有關(guān)。高濃度Al-Mg2Si合金的Tc大于170℃，在室溫形成的空位－溶質(zhì)集團較小，達不到臨界尺寸，還引起了基地過飽和度的降低，因此人工時效時只有少數(shù)尺寸的形團能轉(zhuǎn)變?yōu)槌恋硐啵忠蛐螆F后基體濃度降低，不能獨立形成新的晶核，所以只能得到粗大的沉淀相和低的強度。反之，停放后的低濃度合金人工時效時，卻得到彌散高的沉淀相，對強度反而有利。這可能與低濃度合金形核條件不同有關(guān)。加入Cu小于0.4%能減輕停放效應(yīng)的不良影響，因為Cu能降低AI-Mg-Si合金的自然時效速度。

Fe是AI-Mg-Si合金的有害雜質(zhì)，對強度不利，少量Zn雜質(zhì)對強度幾乎沒有影響，微量稀土元素RE能顯著改善導(dǎo)電線用Al-Mg-Si合金的鑄造、加工和熱處理工藝性能。向Al-0.6Mg-0.6Si合金加入0.1%RE，不僅提高了鑄錠質(zhì)量，改善拔絲工藝，提高了成品率，熱軋后可以直接淬火，省去了固溶處理工序，節(jié)約了能源，人工時效（165℃/4h）后還能提高強度約15 MPa，使電阻降低2%以上。

6061合金的典型力學性能：抗拉強度316MPa，屈服強度281MPa，伸長率12%。

我國典型3D打印產(chǎn)品

躋身世界先進行列

近年來，我國在3D打印鋁合金產(chǎn)品方面成就非凡，有些3D打印產(chǎn)品已躋身世界先進行列。

鋁合金有極好的低溫性能，且各項力學性能均隨著溫度的降低而同步上升，是制造低溫設(shè)備的絕佳材料。日本和美國發(fā)射航天器如果用液氫（-252.8℃）與液氧（-183℃），則該燃料貯箱就會用2219合金板材焊制，所以筆者認為，我國液態(tài)燃料貯箱和箱體連接環(huán)件也可以用2219合金制造。

10m級高強度鋁合金重型運載火箭連接環(huán)樣件2219鋁合金3D打印件于今年1月出爐

10m級高強度鋁合金重型運載火箭連接環(huán)樣件是由我國增材制造創(chuàng)新中心、西安交通大學盧秉恒院士團隊利用3D打印技術(shù)制成的全球首件10m級高強鋁合金重型運載火箭連接環(huán)樣件。該樣件利用電弧熔絲增減材一體化制造技術(shù)，在整體制造的工藝穩(wěn)定性、精度控制及變形與應(yīng)力調(diào)控方面均實現(xiàn)了重大技術(shù)突破。

10m級超大型鋁合金環(huán)件是連接重型運載火箭貯箱的筒段、前后底與火箭的箱間段之間的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件。10m級超大型鋁合金環(huán)件質(zhì)量約為1t，采用了多絲協(xié)同工藝裝備，打印工藝大為簡化，成本大幅下降，制造周期大大縮短，僅用了30天。目前，此次采用的增減材一體化打印技術(shù)成功完成超大型環(huán)件屬世界首例。該成果將會助力3D打印繼續(xù)為我國航天事業(yè)發(fā)展，同時為我國航天事業(yè)中重大零件的快速制備提供了技術(shù)支撐。

3D打印絲材可以用2219鋁合金。2219鋁合金是一種Al-Cu系高強度鋁合金，在航空航天和國防軍工部門獲得了廣泛應(yīng)用，其標定成分（質(zhì)量%）：Si0.2，F(xiàn)e0.3，Cu5.8-6.8，Mn0.2-0.4，Mg0.02，Zn0.1，Ti0.02-0.1，V0.05-0.15，Zr0.1-0.25，其它雜質(zhì)單個0.05、合計0.15，其余為AI，現(xiàn)在已發(fā)展到4個合金，其它三個為2319、2419、2519。

2219鋁合金成型于1985年，典型力學性能見表1，力學性能與溫度的關(guān)系見表2。

2219鋁合金板材的包覆合金為7072，其成分（質(zhì)量%）：Cu0.1，Mn0.1，（Si＋Fe）0.7，Zn0.8-1.3，Mg0.1，其它雜質(zhì)單個0.05、合計0.15，其余為Al。2219鋁合金的應(yīng)用溫度范圍-269℃-300℃，是可應(yīng)用溫度范圍最廣的合金之一。斷裂韌性也高，在T8狀態(tài)下材料有很高的抗應(yīng)力腐蝕開裂能力，在20℃時的密度為2.84g/cm3。

王華明院士團隊在國際上率先突破了飛機鈦合金、鋁合金等大型關(guān)鍵主承力構(gòu)件激光3D打印工藝、成套裝備、內(nèi)部質(zhì)量和力學性能控制及工程應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，這是北京航空航天大學大型金屬構(gòu)件增材制造工程實驗室經(jīng)過二十余年的不懈研究取得的豐碩成果。自2005年以來，3D打印鈦合金、鋁合金飛機機身主承力框、機翼根肋、起落架等大型整體關(guān)鍵承力構(gòu)件，在國產(chǎn)新一代殲擊機、大型運輸機、運載火箭等航空航天重大裝備研制和生產(chǎn)中獲得了廣泛應(yīng)用。2016年1月16日王華明院士主持的“飛機鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”項目獲得國家技術(shù)發(fā)明一等獎。

目前，雙性能整體葉盤技術(shù)的制造工藝主要采用焊接法，通過線性摩擦焊等技術(shù)不同性能的葉片和盤片焊為一個整體。然而焊接法的最大不足是連接區(qū)域往往會成為整個構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)，成為發(fā)動機的一個致命隱患。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展和不斷成熟，人們提出直接在盤體上打印葉片，通過同軸送粉激光熔覆工藝，在鈦合金盤體邊緣預(yù)先加工出凸臺，逐層堆積成鈦合金葉片。

國內(nèi)首座3D打印景觀橋于2021年1月11日于上海市普陀區(qū)桃浦中央綠地與廣大觀眾見面

該景觀橋是當前我國建筑工程領(lǐng)域運用3D打印技術(shù)將設(shè)計藍圖轉(zhuǎn)變?yōu)閷嵨?，并投入實際使用的首次開拓性嘗試。3D打印沖破橋梁設(shè)計的束縛，將參數(shù)化的構(gòu)建方式融入其中，不僅可以制造復(fù)雜形體，同時還可以利用成型技術(shù)對計算進行反饋，與設(shè)計師形成互動，使得設(shè)計更自由、更靈活、更具多元空間變幻。

該橋用的打印材料為高分子PSA，但添加了一些玻璃纖維以提高強度，當然也可用鋁合金粉打印。PSA的耐候性、彈性模量、屈服強度和抗沖擊強度都很高，且能承受長期的日曬雨淋，同時滿足3D打印材料和建筑材料要求。這座橋長15m，是一層一層疊加上去的，打印一層耗時8h，可以完成4mm的厚度，長15m。該橋的承載能力是250kg/m2，至少每平方米可容納4個成年人同時過橋。

此外，今年3月上海還增添了兩座3D打印橋，一座混凝土的，在蘊川路6號智慧灣科創(chuàng)園，橋長26.3m、寬3.6m，橋長達全球之最。該橋借鑒了我國古代趙州橋的結(jié)構(gòu)，造型優(yōu)婉，橋的整體工程使用了2臺機器臂3D打印系統(tǒng)，僅用了450h就制造完畢，造價也比普通的橋低34%，大大節(jié)約了時間、人力和物力成本。

另一座3D打印橋是我國首座可伸縮橋，名為“萬年輪”。今年7月安裝于寶山交運智慧灣科創(chuàng)灣的“星空高架公園”。橋體由可回收的碳酸聚脂復(fù)合材料打印而成，長9.34m、寬1.5m、高1.1m，總質(zhì)量850kg，可以承載20個成年人，分為9塊可伸縮片段，開合僅需1min，可通過手機藍牙控制。橋面開啟時，9片面板一字排開，橋面收起時，9片面板依次收攏呈滿月形狀，尤其夜晚時分，面板扶手里的LED燈亮起，極為亮眼。

我國是世界上唯一掌握了飛機鈦合金大型主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成型技術(shù)并實現(xiàn)裝機應(yīng)用的國家

在艦載機、四代機等新型軍用飛機的研制過程中，3D打印技術(shù)已經(jīng)發(fā)揮了重要作用，承擔了包括起落架在內(nèi)的鈦合金、鋁合金主承力構(gòu)件的試制任務(wù)。2020年5月5日，我國成功首飛的長征五號B運載火箭上，搭載著新一代載人飛船試驗船，船上還有一臺“3D打印機”。這是我國首次太空3D打印試驗，也是國際上第一次在太空開展連續(xù)纖維增強復(fù)合材料的3D打印試驗。

國外3D打印鋁合金典型產(chǎn)品

3D打印機的一個巨大優(yōu)勢是具備即時制造物品的特性，另一個優(yōu)勢是其所制造的物品是可以定制的，因而可以輕松對設(shè)計進行編輯，以實現(xiàn)個性化和調(diào)整。

●美國梅爾德公司（MELD）的6061鋁合金環(huán)件。該公司在2019年采用其獨創(chuàng)的3D打印技術(shù)以6061鋁合金粉打印出直徑超過1400mm的大型環(huán)件，在3D打印領(lǐng)域具有里程碑意義。該環(huán)件采用固態(tài)工藝打印，在加工過程中材料不會達到熔化溫度，產(chǎn)品中的殘余應(yīng)力很低，尺寸與外形都很精整。

●俄羅斯的3D打印無人機。2015年6月，俄羅斯技術(shù)集團公司以3D打印技術(shù)打造出一架鋁材無人機樣機，打印時間31h，質(zhì)量3.8kg，翼展2400mm，飛行速度90-100km/h，續(xù)航能力1-1.5h。

●波音公司是率先將3D打印技術(shù)用于飛機設(shè)計和制造的國際航空航天器制造企業(yè)，利用3D打印技術(shù)已累計打印了幾百個不同的小型零部件。通用電氣公司（GE）2012年收購了專門開發(fā)激光燒結(jié)金屬粉技術(shù)的莫里斯技術(shù)公司（Morris Techno - logies），用于為其Leap系列發(fā)動機制造零件。普惠公司投入數(shù)百萬美元聯(lián)合康涅狄格大學成立了3D打印中心。美國國家航空航天局正在使用3D打印機生產(chǎn)航天器引擎部件，并計劃將打印設(shè)備發(fā)射到國際空間站，以期宇航員能夠利用空間站內(nèi)的原料直接生產(chǎn)所需物品，改變完全依賴地面供給的補充模式。

3D打印技術(shù)市場不可低估

據(jù)日本數(shù)據(jù)調(diào)查公司富士經(jīng)濟研究公司稱，到2025年，以樹脂和金屬為原材料的全球3D打印市場的規(guī)模將從2019年的1186億日元增長到1833億日元，增幅達50%之多。

有專業(yè)雜志分析，2020年3D打印技術(shù)的使用次數(shù)增加了六七倍，美國、英國、德國是使用最多的國家。僅在2020年，3D打印機的銷量就超過了200萬臺，預(yù)計到2028年其銷量將超過1500萬臺。打印機便宜多了、速度顯著提高了、監(jiān)管機構(gòu)也為該技術(shù)的普及提供越來越多的便利與支持……最初阻礙這項技術(shù)推廣應(yīng)用的各種障礙正在漸漸消失。例如，美國食品和藥品管理局已出臺了醫(yī)療設(shè)備3D打印指南，在歐洲，與3D打印相關(guān)的委托加工服務(wù)正在普及。

不過應(yīng)該指出的是，盡管3D打印技術(shù)潛力巨大，但以現(xiàn)有的技術(shù)條件而言還遠不具備取代傳統(tǒng)工藝的實力，在可預(yù)期的時期內(nèi)也不可能做到這一點，但對傳統(tǒng)制造工藝來說，它是一種很好的有力補充。當然，如果從長遠的角度來看，也就很難說了，就個別領(lǐng)域來說也是很可能的。正如《經(jīng)濟學人》所說：偉大發(fā)明所能帶來的影響，在當時那個年代都是難以預(yù)測的，1750年的蒸汽機如此，1450年的印刷術(shù)如此，1950年的晶體管還是如此。我們?nèi)匀粺o法預(yù)測，3D打印機將在漫長的時光里如何改變世界。

3D打印時代已來

相關(guān)項目建設(shè)宜緊跟

3D打印時代真的來了，許多部門都做好了充分準備，在快速跟上的同時，與世界先進水平并跑，在有些領(lǐng)域，我國的3D打印已達到領(lǐng)先水平，如中國鈦合金激光快速成型技術(shù)已處于國際領(lǐng)先。在世界范圍內(nèi)，2020年生產(chǎn)和購買3D打印機最多的仍然是美國，我國為第二多的國家，超過了日本和德國。據(jù)相關(guān)機構(gòu)預(yù)測，2025年以前，全球3D打印行業(yè)仍將保持年均20%以上的增速，筆者認為，中國的年復(fù)合增長率有可能達到30%或更高。

據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，3D打印技術(shù)的行業(yè)應(yīng)用主要為消費電子、汽車、醫(yī)療、航空航天、建筑、科研等領(lǐng)域。而從具體應(yīng)用環(huán)節(jié)來看，3D打印技術(shù)仍主要用于設(shè)計樣品、展示模型及模具的制造，直接零部件加工的占比也從2003年的不足4%快速上升到了2020年的約50%，估計2025年的占比可達80%以上。

當前，我國的3D打印產(chǎn)業(yè)已從2018年以前的跟跑階段進入并跑階段，2025年或?qū)⒊蔀槿虼诵袠I(yè)的領(lǐng)跑者，為盡決達到此目標，筆者認為應(yīng)做好以下幾點：

●加強投入，加強科研。多建幾個全國性的如北京航空航天大學金屬構(gòu)件增材制造國家工程實驗室和研究所這樣的研發(fā)單位，以院士或科學家領(lǐng)銜帶領(lǐng)精英團隊進行研發(fā)，因為3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵在人才的培養(yǎng)。

●有計劃地以社會主義市場經(jīng)濟為指引建立一些高精尖產(chǎn)品3D打印企業(yè)，如航天器的燃料貯箱連接環(huán)、上下端蓋，甚至箱體都可以用2219鋁合金打印，航空器起落架零部件可用鈦合金和鋁合金打印，民用飛機進艙門用傳統(tǒng)工藝制造有近50個零件，若用3D打印技術(shù)制造可集成為一個大部件；汽車零部件更是一個大產(chǎn)業(yè)，可建設(shè)多條生產(chǎn)線，最好與汽車制造企業(yè)合作，建立一些3D打印獨立企業(yè)，也可以在現(xiàn)有鋁加工廠、汽車廠等建設(shè)生產(chǎn)車間或生產(chǎn)線，不管是燃油車還是新能源車都有許多零部件可用3D工藝打印，新能源汽車發(fā)動機的許多零件可用3D工藝打印，電池箱體也可以用鋁合金3D打印。

汽車產(chǎn)業(yè)是3D打印技術(shù)最主要的應(yīng)用領(lǐng)域之一，2020年已占世界市場份額的25%。從具體用途來看，基本集中于設(shè)計原型制造及生產(chǎn)過程的模具加工，材料大都為鋁合金。借助3D打印技術(shù)輔助設(shè)計和測試，可以顯著縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、降低試制與試驗費用。例如：通用汽車公司（GM）用3D打印技術(shù)至2020年已打印出的零部件和模具超過50000個，韓國現(xiàn)代汽車公司（Hyundai）和德國寶馬汽車公司（BMW）也早已將3D打印技術(shù)應(yīng)用于新車研發(fā)。

●醫(yī)療器械和“生物打印”市場令人憧憬

醫(yī)療行業(yè)是一個個性化的定制化需求大市場，難以進行標準化、大批量生產(chǎn)，而這恰是3D打印技術(shù)的優(yōu)勢所在。當今，3D打印技術(shù)在助聽器材制造、牙齒矯正與修復(fù)、假肢制造等領(lǐng)域已獲得成功應(yīng)用，并相當成熟。3D打印的牙橋等更加精準精細，相比傳統(tǒng)制備工藝更加方便快捷。同樣，采用3D打印技術(shù)可以很好地實現(xiàn)對剩余肢體的復(fù)制，制造的假肢也更加符合人體。截止到2020年，在歐洲使用3D打印的鈦合金骨骼的患者已超過4.8萬例，美國一家醫(yī)院用3D打印頭骨替換了高達75%患者的受損骨骼，對患者的正常生活毫無影響。

3D打印技術(shù)還可用于了解患者病情以及輔助醫(yī)患交流。例如3D打印機可以打印出患者的立體骨骼模型，醫(yī)生可以通過模型探討治療過程，與患者溝通手術(shù)方案；醫(yī)務(wù)人員還可以通過3D打印的復(fù)制品了解患者器官內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還能夠在這些復(fù)制品上進行模擬手術(shù)。

3D打印的模型或無生命假肢僅僅是一個開頭，最令人神往的是直接打印具有活性的組織器官，即“生物打印”，具體是打印骨架，再在骨架上培養(yǎng)干細胞，誘導(dǎo)其形成組織；更進一步的方法是直接打印出組織器官用于移植；甚至更進一步是在人體內(nèi)直接打印活性組織和活性器官，連植入過程都可以省略。

●世界上3D打印建筑越來越多。建筑物可是一類大家伙，但利用3D打印技術(shù)10天就可以建成一套房屋。3D打印技術(shù)最初主要用于設(shè)計模型的制造，但現(xiàn)在可以打印出復(fù)雜結(jié)構(gòu)，極大地拓展了設(shè)計師的想象空間。2014年1月，數(shù)幢3D打印的建筑在蘇州工業(yè)園區(qū)亮相，包括一棟1100m2的別墅和一棟6層居民樓。它們的墻體由大型3D打印機層層疊加噴繪而成，而打印用的“油墨”則由建筑垃圾制成；2015年7月17日，由3D打印的模塊新材料別墅在西安現(xiàn)身。這座精裝別墅打印僅用3h，只要擺上家具就可以拎包入住。

3D打印建筑物幾乎不會產(chǎn)生建筑垃圾，每打印一個住宅單元可以減少2-3t碳排放。有些建筑3D打印系統(tǒng)可以完成多個不同行業(yè)內(nèi)10-20名工人的工作，而且可以24h不停地工作，不需要休息，能為開發(fā)商節(jié)省更多時間成本。

以上僅介紹了3D打印技術(shù)應(yīng)用的幾個方面，其實可打印的物品數(shù)不勝數(shù)，如活體機器人、制造各種食品和飲品、人造肉等，可以在廚房里放一臺打印機，制造個性化的食品，以色列雷德芬肉制品公司（Redefine Meat）3D打印的素食牛排；電子器件領(lǐng)域可以打印的元器件數(shù)不勝數(shù)，首款3D打印的筆記本電腦已于2015年面世，任何人都可以在自己的客廳里打印自己的物品，而價格僅為傳統(tǒng)產(chǎn)品的50%；打印服裝服飾，用3D技術(shù)制作的服裝，不但外觀新穎，而且舒適合體，設(shè)計與打印的內(nèi)衣與高跟鞋極具想象力。

總之，3D打印技術(shù)是一類極具發(fā)展?jié)摿Φ母咝录夹g(shù)，我國對此非常重視，2015年8月，中共中央政治局常委、國務(wù)院總理李克強主持國務(wù)院專題講座，討論加快發(fā)展先進制造與3D打印等問題。此后，各級政府和企事業(yè)單位都在認真落實黨中央和國務(wù)院的指示，大力發(fā)展3D打印技術(shù)，碩果累累，在不少3D打印產(chǎn)品的制造技術(shù)方面已居世界先進行列，但總體來看，與美國、德國、日本、以色列等國仍有一定差距，有待追超，特別是在研發(fā)與創(chuàng)新方面的差距較大一些。大概到2025年，我國就會成為全球最大、在各領(lǐng)域3D打印機制造與3D打印產(chǎn)品最多與最先進的國家。