金属增材制造业研究：方兴未艾星辰大海

  增材制造（Additive Manufacturing, AM, 俗称“3D 打印”）是具有颠覆性的先进制造技术。增材制造以三 维数字模型为基础，将材料通过分层制造、逐层叠加的方式制造出实体零件。增材制造从原理上突破了复杂异 型构件的技术瓶颈，实现材料微观组织与宏观结构的可控成形，从根本上改变了传统“制造引导设计、制造性 优先设计、经验设计”的设计理念，真正意义上实现了“设计引导制造、功能性优先设计、拓扑优化设计”转变。 目前，增材制造已经大范围的应用于医疗、航空航天、传统制造业、汽车、牙科等领域。

  金属增材制造（Metal Additive Manufacturing）是增材制造的重要分支，拥有传统精密加工技术没办法比 拟的巨大优势。根据铂力特定增说明书，相较于传统精密加工，金属增材制造具有以下优点： （1）产品研制及实现周期短。增材制造技术无需模具支撑，一般仅需要简单装配即可投入到正常的使用中，相较于 传统工艺开发产品的流程快速缩短。 （2）可高效成形更复杂的结构。3D 打印的原理是将复杂的三维几何体剖分为二维的截面形状来叠层制 造，故能轻松实现传统精密加工较难实现的复杂构件成形，提高零件成品率，同时提升产品质量。对于增材制造 来讲，结构复杂程度的增加基本很少增加成本，而传统制造方式的成本会随着结构复杂度的提高而增加。 （3）实现一体化、轻量化设计。金属增材制造可以优化复杂零部件的结构，在保证性能的前提下，将复 杂结构经变换重新设计成简单结构，从而起到减轻重量的效果，增材制造也可实现构件一体化成形，从而提升 产品的可靠性。根据《Metal Additive Manufacturing》，在这个由增材制造的支架中，相比于传统制造的支 架重量减少了 60%，而机械强度和刚度保持不变。 （4）材料利用率高。金属增材制造可节约大量材料，特别是对于较昂贵的金属材料，可较大节省本金。 （5）实现优良的力学性能。基于 3D 打印快速凝固的工艺特点，成形后的制件内部冶金质量均匀致密， 无其他冶金缺陷；同时快速凝固的特点，使得材料内部组织为细小亚结构，成形零件可在不损失塑性的情况下 使强度得到较大提高。

  金属增材制造与传统精密加工技术互为补充，增材制造更适合款多量少的定制化产品。当前，金属增材制 造在可加工材料种类、加工精度、表面粗糙度、加工效率方面逊于传统精密加工，在大规模生产上成本处于劣 势，因此增材制造的主要应用场景为：小批量、复杂化、轻量化、定制化、功能一体化零部件制造。此外，增减材复合制造技术是当前金属增材制造工艺的研究方向。通过与机器人、数字控制机床、铸锻焊等多工艺技术相集 成，可提升金属增材制造的成型效率和精度，解决金属增材制造复杂结构件难于进行后续机械加工的难题。

  根据铂力特定增说明书，七种基本的增材制造工艺中，金属 3D 打印工艺原理主要为粉末床熔融（PBF， 俗称铺粉工艺）和定向能量沉积（DED，俗称送粉工艺）两大类别，采用这两类工艺原理的金属 3D 打印技术 都可以制造达到锻件标准的金属零件。根据 AMPOWER，以营收计算，2021 年 PBF、DED 各占据 83.8%和 9.1%的市场占有率。且预计到 2026 年，PBF、DED 将各占据 74%和 8.6%的市场份额。

  根据 GB/T 35021-2018，粉末床熔融（Powder Bed Fusion, PBF，铺粉工艺）是指通过热能选择性融化/烧 结粉末床区域的增材制造工艺。激活源主要是激光、电子或红外灯产生的热能。原材料主要是各种粉末（如热 塑性聚合物、纯金属或合金、陶瓷等）。常见用于金属制造的 PBF 技术包括激光选区熔融（Selective laser melting, SLM）、电子束熔融（Electron Beam Melting, EBM）等。

  SLM 是目前应用最广泛的金属增材制造技术，大范围的使用在制造航空航天、汽车模具等领域的精密零部件。 SLM 打印制件可以同时具有宏观的复杂结构与独特的微观组织。相较于 SLS 技术，SLM 技术能够完全熔化金 属，成型精度和力学性能更高。SLM 成形技术一般会用粒径在 30µm 左右的细粉末作为原材料，通过涂布机刀 片将这种金属粉末以非常薄的层分布在整个基材或积层板上，利用高能量激光束逐层选择性地完全熔化金属粉 末，通过逐层的铺粉--熔化--凝固堆积的方式，制造三维实体零件。

  根据铂力特定增书，SLM 技术实现过程为：计算机将物体的三维数据转化为一层层截面的 2D 数据并传输 给打印机，打印过程中，在基板上用刮刀铺上设定层厚的金属粉末，聚焦的激光在扫描振镜的控制下按照事先 规划好的路径与工艺参数进行扫描，金属粉末在高能量激光的照射下其发生熔化，快速凝固，形成冶金结合层。 当一层打印任务结束后，基板下降一个切片层厚高度，刮刀接着来进行粉末铺平，激光扫描加工，重复这样的过 程直至整个零件打印结束。

  SpaceX 使用 SLM 技术制造二代龙飞船引擎室，解决了复杂结构制造、缩短火箭发动机交货期、降 造成本。据 VoxelMatters,SpaceX 公司开发的新一代 Dragon V2 载人飞船的 SuperDraco 引擎的制造中应用了 EOS 提供的 SLM 打印设备。SuperDraco 引擎的冷却道、喷射头、节流阀等结构复杂程度非常高。SLM 在制造 过程中表现了以下优点：1）解决了复杂结构制造问题；2）实现了材料的高强度、延展性、抗断裂性和低可变 性等优良属性，能够满足极端高温高压的严苛要求；3）显著缩短火箭发动机交货期，并降造成本。

  电子束熔融技术(Electron Beam Melting）是新兴的先进金属增材制造技术，已广泛应用于快速原型制作、 快速制造、工装和生物医学工程等领域。根据华融普瑞（北京）科技有限公司官网，其工艺过程为：将零件的 三维实体模型数据导入 EBM 设备，然后在 EBM 设备的工作舱内平铺一层微细金属粉末薄层，利用高能电子 束经偏转聚焦后在焦点所产生的高密度能量使被扫描到的金属粉末层在局部微小区域产生高温，导致金属微粒 熔融，电子束连续扫描将使一个个微小的金属熔池相互融合并凝固，连接形成线状和面状金属层。

  EBM 技术应用助力航空航天零部件生产发展，减轻发动机零部件重量，提高燃油效率，并且有效提高增 材制造技术在航空航天领域的渗透率。EBM 技术利用高功率电子束在受控环境中快速生产没有残余应力的零 件，EBM 技术制造的 TiAl 叶片的重量只有传统镍合金涡轮叶片的一半。根据凤凰新闻，由 GE 航空公司为波 音新型 777X 宽体喷气机开发的 GE9X 发动机预计将受益于 TiAl 叶片的重量减轻，因为与前代产品 GE90 相比， 它可以降低 10％的燃油消耗。P&W 公司（Pratt & Whitney Group）作为美国最大的两家航空发动机制造公司之 一，利用 EBM 技术完成了核心同步环支架，过去利用金属增材技术制造的大多是静止件，2018 年他们用了整 体叶盘（发动机上非常重要的转子件），开启了金属增材制造技术在转动件上的应用。

  SLM 精度高但速度慢，EBM 精度略低但速度高成本低，两种不同的技术路线就是在精度和效率之间的权 衡，根据不同的应用场景进行选择不同的技术路线。《Metal additive manufacturing in the commercial aviation industry: A review》指出，SLM 更高的沉积精度是以较低的沉积速率为代价的，SLM 沉积速率通常在 0.1kg/h， 而 EBM 速度可达数倍；此外相比于 SLM，EBM 无需后加工处理残余应力。 根据 GE Additive 公司官网，以生产同款 Ti64 托架为例，整个打印过程分为七个步骤，相比于 SLM，EBM 在几乎所有步骤里都存在很明显的成本优势，特别是在设备运行、热处理与支撑拆除方面。（1）设备运 行：设备运行期间的成本明显被粉末的价格所影响。而在这个例子中，这 EBM 所使用的粉末成本比 SLM 所采 用的粉末成本低 49%（EBM 粉末成本 79 欧元，SLM 粉末成本 155 欧元），而且紧密叠加的概率与 EBM 更高 的熔融率也有助于成本的降低；（2）热处理：由于 EBM 本身就是一种热处理方式，因此对于这个托架来讲不 需要热处理来清除应力；（3）支撑拆除：EBM 的支撑能够很轻易的移除，因此其拆除成本很低。

  根据 GB/T 35021-2018，定向能量层积（Directed Energy Deposition, DED）是指利用聚焦热将材料同步熔 化沉 积的增材制造 工艺。激活源主要有激光、电子束、电弧等，常见技术包括激光同步送粉技术 （LENS/LMD/LSF）、电子束熔丝沉积成形（EBDM/EBAM/EBF）、电弧熔丝增材制造（Wire and Arc Additive Manufacturing, WAAM）等。

  相较于 PBF 技术，DED 打印效率更高但精度略逊色。根据《Metal Additive Manufacturing》，PBF 的打印 沉积速率为 5-20cm3 /h，而 DED 打印沉积速率为 500-4000 cm3 /h。但打印精度方面 DED 远逊于 PBF，且 DED 需要真空环境或使用惰性气体保护。即需要在打印速度和精度之间寻求平衡。因此 DED 主要应用在：1）需要 进一步后加工的零件成型（近净成型）；2）在已有结构件上自由打印特定结构；3）高价值零部件维修。

  2.2.1 激光近净成形（LENS）——DED 中研究应用最广泛的技术

  激光近净成形技术是无需后处理的金属直接成形方法，也是 DED 中研究和应用最广泛的技术。该技术名 称繁多：激光近净成形（Laser Engineered Net Shaping, LENS）、激光金属熔覆沉积（Laser Metal Deposition, LMD）、激光立体成形（Laser Solid Forming, LSF）。该技术不仅能直接打印出三维金属零件，还能在已有零 件上进行打印。因此在制造或修复高附加值的产品，比如航空发动机或机床部件中得到广泛应用。根据铂力特 定增说明书，该技术的原理为：聚焦激光束在控制下，按照预先设定的路径，进行移动，移动的同时，粉末喷 嘴将金属粉末直接输送到激光光斑在固态基板上形成的熔池，使之由点到线、由线到面的顺序凝固，从而完成 一个层截面的打印工作。这样层层叠加，制造出接近实体模型的零部件实体。

  LENS(激光近净成型)技术能够实现梯度材料、复杂曲面修复，在大型器件的修复上正不断地发挥作用， 是链接传统制造与 3D 打印的桥梁。LENS 技术主要应用于航空航天、汽车、船舶等领域，可以实现金属零件 的无模制造，节约成本，缩短生产周期。根据 OPTOMEC 公司和《Metal Additive Manufacturing》，美国新墨西哥州的一家工厂曾使用 LENS 技术修复生产线 小时修复了以往需要 12 周以上进行替换的 齿轮零件。

  2.2.2 电子束熔丝沉积成形（EBWD）——前沿 DED 技术，已用于先进战机制造

  电子束熔丝沉积成形技术（Electron Beam Wire Deposition, EBWD）是以电子束作为激活源的前沿 DED 技术，具有速度快、成本低、打印尺寸大等优点。电子束熔丝沉积成形由 Dave、Matz 等人于 1995 年提出 （EBSFF），2002 年 NASA 兰利研究中心提出了 EBF 技术，2009 年 Sciaky 推出相关产品（EBAM/EBDM）。 中航工业北京航空制造工程研究所于 2006 年开始相关研究（EBWD），开发的最大的电子束成形设备线m，采用电子束熔丝成形制造的钛合金零件在国内飞机结构上率先实现了装 机应用。基于中国商飞对电子束熔丝增材制造技术在飞机制造领域应用的前瞻性判断，北京民用飞机技术中心 向西安智熔订购了 ZCompleX3 型电子束熔丝增材制造系统，并于 2022 年完成交付。

  根据 Sciaky 公司官网，Sciaky 公司推出的 EBAM 技术实现了沉积速率大幅提升。EBAM 沉积速率达到了 18.2kg/h，比基于激光的 DED 技术路线 个数量级，超过 PBF 技术路线 个数量级，由此可见该类技术 在沉积速率方面拥有绝对优势。

  目前电子束熔丝增材制造技术在航空领域的应用比较广泛。根据《航空装备电子束增材制造技术发展及路 线图》，在国外，目前电子束熔丝增材制造技术已成功应用于空客 A320neo 飞机钛合金后上翼梁、F-35 飞机 翼梁等结构的制造，装有电子束熔丝增材钛合金零件的 F-35 飞机已于 2013 年初试飞。在国内，为满足发动机 双性能盘的需求，北京航空材料研究院电子束熔丝增材制造了钛合金双合金离心叶轮，叶片部位能够满足 600 ℃ 使用要求，盘心部位具有更高的强度。中国航空制造技术研究院采用电子束熔丝增材制造了 TC4 钛合金飞机 框梁、TC18 钛合金滑轮架等结构件。

  2.2.3 电弧增材制造技术（WAAM）——低成本高效率大尺寸的 DED 技术

  电弧增材制造技术（Wire and Arc Additive Manufacture, WAAM）使用电弧作为激活源，是一种成本极 大降低的大尺寸高效率金属增材制造技术。WAAM 很适合打印数米大小的零件，很适合成形对激光反射率高 的材质（如铝合金、铜合金）。根据铂力特定增说明书，WAAM 的优点为：（1）高效率，每小时沉积效率可 达数十公斤；（2）低成本，原材料价格便宜，整体打印周期短；（3）柔性化，无需模具，自由度高，易于实 现自动化、智能化控制；（4）响应速度快，适合小批量个性化。WAAM 的工作原理为：利用逐层熔覆原理， 采用熔化极惰性气体保护焊（MIG）、钨极惰性气体保护焊（TIG）以及等离子体焊接电源（PAW）等产生的 电弧为热源，以金属丝材为原材料，在程序的控制下，根据三维数字模型由线-面-体逐渐成形金属零件。

  WAAM 打印精度较低，但是打印尺寸较大。根据《Current Status and Perspectives on Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM)》，本质上 WAAM 与工艺焊接非常接近，因此会出现裂纹、孔隙、飞溅等情况。 WAAM 热输入累积较大，零件表面精度较低，需后加工以控制精度。WAAM 的特点让其很适合以高价值的材 料制造中等复杂程度的大尺寸零件。由于拓扑优化结构能够在保持构件的性能以使其性能最大化，因此他正逐 渐运用于航天与汽车领域当中。传统工艺制造拓扑优化构件很昂贵，材料利用率低且交货时间长，因此 WAAM 工艺在生产拓扑优化构件中有巨大的潜力。

  WAAM 技术发展迅速，在船舶和航空航天行业广泛应用。根据《航空航天用电弧熔丝增材制造研究综 述》，挪威 Norsk Titanium 公司制备了长度达到 1 m 的钛合金零件，在 TC4 钛合金板材上增材带有肋条的特征， 然后经过机加得到最终构件，整个过程材料利用率在 30% 左右，增材后构件的力学性能与锻件一致。该公司 的钛合金电弧熔丝增材制造技术于 2016 年获得了美国联邦航空管理局技术成熟度 8 级认证。欧洲宇航局与英 国 Cranfield 大学焊接与激光研究中心合作，采用电弧熔丝增材方式制备了钛合金飞机机翼翼梁、航空发动机 轮盘等航空航天用大型构件，丝材的利用率高达 90% ，且成形效率高、缺陷少，尺寸为 1.2 m 的钛合金机翼增 材制造只需 37 h 。2019 年，RAMLAB 生产出世界首个金属 3D 打印的全尺寸船舶螺旋桨原型，名为 WAAM peller。WAAM peller 直径为 1.35 米，重 400 公斤，它很好地展示出了 RAMLAB 3D 打印机的打印能力，其可 打印的最大尺寸达 7*2*2 米。同年，Thales Alenia Space、克兰菲尔德大学和 Glenalmond Technologies 公司组成 的团队成功地通过 WAAM 技术制造了第一个全尺寸钛压力容器原型，将用于未来空间探索载人任务。

  PBF 和 DED 两大类技术应用场景不同，优势互补。PBF 技术一般用于轻型 3D 打印技术，专注于打印传 统技术无法企及的极端复杂结构，制作成品精度较高，适合小批量、定制化的生产特点。DED 一般用于重型 3D 打印技术，可每小时公斤级的打印效率，打印尺寸范围较大，方便多材料打印。根据《Metal additive manufacturing in the commercial aviation industry: A review》，SLM 技术能保证打印成品的精度，它能完成更高 复杂程度的产品，并最终得到较高的表面完成度，但是其成形尺寸等较小且打印灵活性差，且打印效率极低。 WAAM 技术在制造速率、打印最大尺寸、灵活性、打印件力学性能、预加工需求、可用材料、打印费用等均 具有较为明显的优势，但是通过这种工艺打印出来的成品的精度差，表面粗糙。EBM 技术整体和 SLM 技术表 现相当，但是采用电子束作为热源能明显提升打印效率，但是相对于 SLM 来讲，其表面精度等也无法得到保 障。LENS 技术整体表现比较中庸，在各个方面都能兼具到，但是不突出。

  三. 金属增材:向着多材料、高效率、高精度、大尺寸、智能化、国 产化率提高、渗透率提高、增减材一体化、无支撑、系统级制造等趋 势发展

  作为新兴工艺，通过降维成二维烧结逐层堆叠的加工模式，增材制造具有传统的减材制造不具备的优势， 因此其逐渐被人们重视，各国纷纷出台产业政策扶持，行业进入快速发展期。未来发展趋势如下： 1）多材料：多材料包括可打印材料的多样化以及多材料混合打印两个方面； 2）高效率与高精度：金属增材制造效率有待进一步提升，打印效率和打印精度是增材制造技术两个难以 兼顾的目标，未来希望能在高精度制造的情况下实现高效率增材制造； 3）大尺寸：进一步增大可打印尺寸是当前增材制造装备的发展趋势，目前增材制造装备成形尺寸已经步 入“米”级时代； 4）智能化：增材制造工艺需要进行质量控制，需要高度训练有素的技术人员来启动、监测和拆除组件， 未来需要实现增材制造的智能化与自动化； 5）国产化率提高：由于我国的 3D 打印设备公司对于软硬件存在不同程度的进口依赖，因此推进核心器 件（主要指：激光器、振镜以及工业软件）国产化至关重要； 6）渗透率提高：加强金属 3D 打印定制化产品在一般工业领域渗透，提高 3D 打印可运用场景，并使其在 已经引入增材制造的下游领域中增加 3D 打印的使用占比； 7）增减材一体化：增减材复合制造技术结合了增材近净成形和减材保证精度的优点，适合高精度复杂型 面及具有内孔内腔零件的一体化制造和修复再制造； 8）无支撑 3D 打印：支撑结构的存在会降低模型的表面质量，且去除支撑需要的后处理会提高成本，无 支撑 3D 打印能降低材料浪费以及提高模型质量； 9）系统级制造：系统级制造就是指对于整个系统部件基于增材制造设计制造，而不单单只通过 3D 打印 技术打印出个别零部件。由于增材制造相比于传统工艺能够更好的制造复杂构件，且系统级制造应用越来越多， 其已经成为增材制造技术的一大趋势。

  可打印材料的多样性：与传统冶金用金属粉末相比，增材专用金属粉材性能指标要求较高，生产工艺有明 显区别。增材专用粉材在颗粒尺寸、粒度分布和氧含量等方面要求更加严苛，因此可用于增材制造当中的金属 打印材料较少且价格高昂。根据《Metal Additive Manufacturing》，传统制造方式可用铁合金超过 1000 种，但 能用于增材制造的铁合金非常稀少；而对于铝合金，传统制造方式和增材制造可使用材料之比约为 600：12。 此外，相对较少的合格的金属增材制造粉末的成本比铸造、机械加工和其他传统制造业所采用的原材料成本高5-10 倍。造成这一问题的一个原因是增材制造原材料供应商之间缺乏竞争。另一个原因是产量低，全球金属增 材制造材料的销售总额每年不到 4 亿美元。 可打印材料种类不足限制了增材制造在下游产业的应用空间，因此金属 3D 打印专用材料的开发在未来的 很长一段时间里将是重要的研究领域。另外，单一材料也在向复合材料发展，不仅赋予了材料多功能性特点， 而且拓宽了增材制造技术的应用领域。根据 Wohlers Associate，金属增材制造粉末市场在 2021 年开始复苏，其 主要推动力是航空航天和生物医药行业。3D 打印设备制造商，服务提供商等已经对很多种合金进行了鉴定。 这些材料包括镍、铜、铝、钛合金以及特种钢。例如：Tekna 与 Aperam Alloys 合资推出了 Ni-718、Ni-625 和 Ni-HX。在德国法兰克福举行的 Formnext 2021 展会上，Constellium 公司公布了用于激光 PBF 系统的 Aheadd 系列合金。这些合金能带来更高的生产率并且后处理更加简便。Aheadd CP1 材料是一种用于代替标准铝合金 的 Al-Zr-Fe 合金。

  根据《航空航天高性能金属材料构件激光增材制造》，钛基材料因具有优异的比强度、耐蚀性和生物相容 性而被广泛应用于航空航天、生物医疗、食品化工等领域。而铝基材料良好的铸造性能和焊接性能，故对 SLM 这类经历粉末熔化／凝固冶金热物理过程的增材制造工艺表现出了良好的成形性能，两者都是激光增材 制造经常采用的金属材料。其中能用于激光增材制造铝合金及其复合材料有：AlSi10Mg、AlSi12、Al-Cu-Mg、 Al-Cu-Sc-Zr、Al-Zn、AlSi10Mg-CNTs、Al 7000 系列、Al 6061&7075、Al201.1 等，能用于激光增材制造钛以 及钛合金有：CP-Ti、Ti-6Al-4V，5 级、Ti-6Al-4V，23 级等，各种金属可使用牌号都体现了材料的多样性以及 功能性，拓宽了增材制造技术的应用领域。

  多材料混合打印：随着高端装备对构件性能要求的不断提升，增材制造亟需从单一材料结构向多材料结构 突破。根据《多材料增材制造研究现状和展望》，如液体火箭燃烧室中使用铜合金衬套和镍合金外套复合材料， 内部铜合金具有足够高的热传导性保证热量及时散失，外部镍合金提供足够高的支撑强度，通过整合两种合金 性能，此多材料零件能够满足极端温度和压力下的工作环境；定制的 NiTi-Ti6Al4V 多孔结构髋关节植入物， 两边的 NiTi 区域具有超弹性，能够满足假体与骨骼之间的刚度匹配，而中间区域的 Ti6Al4V 用于提高整体结 构的强度。该多孔结构有效解决了传统钛合金植入物与骨骼之间的刚度匹配问题，防止过早失效。 根据《多材料增材制造研究现状和展望》，采用粉末床熔融（PBF）工艺，成形的金属零件致密度高、 尺寸精度高、表面粗糙度好。现有的 SLM 铺粉系统大多是通过同一漏斗落下单一材料。为了解决铺送回收多 材料粉末的问题，研究人员提出了以下几种途径：1）多料斗铺粉系统；2）多料斗原位粉末混合铺粉系统；3） 超声振动铺粉系统；4）粉末回收铺粉系统。但是根据研究表明，PBF 工艺下，会由于两种材料界面处过渡明 显，易产生应力集中，并在复杂的荷载下出现分层的现象，且会由于打印剩余的未成形混合粉末难以回收，造成粉末浪费的问题。

  采用定向能量沉积（DED）工艺，由于该工艺是将材料直接送入熔池成形，因此在成形多材料方面具有 很大的优势。以激光近净成形（LENS）为例，基于同轴送粉的方式，LENS 可轻易地实现多材料和非均质梯 度材料零件的成形，只需要用多个粉末料斗并适时地改变料斗的开关，不仅可在成形过程中适时改变沉积的粉 末种类，还可以将不同的粉末预混合，然后沉积形成具有梯度变化的多材料零件。但是 LENS 成形的多材料同 样存在分层、裂纹等缺陷。 多材料增材制造为制造具有复杂结构、性能最优的零件提供了新途径，其应用价值大，但相关技术仍处于 基础阶段，目前对于聚合物材料可以通过多材料多喷头成形方式，可实现水平方向和沉积方向的多材料成形。 而对于金属多材料零件存在界面熔合问题，材料热物理性质差异及兼容性不足会导致界面结合不良，产生多种 缺陷。

  金属增材制造效率有待进一步提升，打印效率和打印精度是增材制造技术两个难以兼顾的目标，两个目标 之间往往不得不进行取舍。根据《Metal Additive Manufacturing》，随着热源的功率提高，打印件的沉积速率 也就是打印效率越高，但是相反其打印件的质量越差。何在保证精度的前提下尽可能提升打印效率是当前增材 制造技术提升的重点方向。其中现有效率提高常用手段是：多激光、高功率、大层厚和无支撑。其中大层厚无 法保证打印物件的精度，因此在保证精度下提高效率更多使用多激光于高功率的方法来实现。

  多激光系统代表着可以同时打印多个零件，与单激光系统相比，大大减少了打印前期的多次准备时间，虽 然其铺粉的行程长、打印零件多，但多激光同时打印造成的单层花费时间却并未延长，这种技术能够很好的提 高金属增材制造的效率。根据华曙高科招股书，激光数量是影响加工效率的重要因素，其数量与生产效率正向 相关。通常情况下，中小型设备综合考虑成本、技术难度等因素，一般采用单或双激光配置。在大型设备上通 常采用多激光配置，以此来提高成形效率，同时保障打印精度。

  高功率系统代表着选用更高功率的激光器，能够在对金属粉末进行熔融时提高效率，该设计可以兼顾零部 件表面精度与成形效率，但是也会使得设备的复杂度提升。根据易加三维官网，旗下产品 EP-M1250 可以在 500W、700W 和 1000W 中进行选择以满足不同客户对于精度与效率的需求。 进一步提高增材制造打印零部件的精细程度。随着增材制造在航空航天领域以及汽车领域的使用越来越频 繁，为了减少对打印出来的零部件进行后处理以减少成本，需要提高增材制造打印零部件的精度。根据铂力特 官网，对于从事新材料研究、新结构&新设计验证、精密小尺寸零件打印等相关方向研究的研发团队而言，精 细程度更是“失之毫厘，谬以千里”。BLT-S210 选用熔融石英镜片的场镜，在承受大光斑、大面积照射过程中， 更容易散热，不易引起热漂移，能够与 500W 激光器匹配，保证零件打印精度。设备最小打印层厚仅 10μm， 微米级的打印层厚可保证细小特征成形，保证零件高精度。成形零件表面粗糙度可达 Ra2（轮廓算术平均偏差： 在取样长度内轮廓偏距绝对值的算术平均值。在实际测量中，测量点的数目越多，Ra 越准确），在保持内部 性能的同时，兼顾表面的高光洁度。

  当前下游航空航天领域对于超大型零件的打印需求愈发强烈，进一步增大可打印尺寸是当前增材制造装备 的发展趋势，目前增材制造装备成形尺寸已经步入“米”级时代。根据华曙高科招股说明书，他的在售设备成型 缸 X 轴（长度方向）最大尺寸达到 1570mm，Z 轴（高度方向）最大尺寸达到 1700mm，在研设备成型缸最大 尺寸 X 轴、Y 轴、Z 轴三个方向均达到米级，可满足大尺寸零部件一体化制造及复杂零部件高效益批量制造需 求。 增材制造工艺已经广泛的用于航空航天大尺寸构件的制造。根据华曙高科官网，土星 1 号运载火箭是美国 第一枚专门用来将载荷送入地球轨道的运载火箭。收扩段是火箭发动机的核心部件，具有复杂的内型面和再生 冷却通道，内部密排上百条流道夹层，一体化设计成型要求高。该样件完美复刻了土星一号火箭发动机收扩段 部件，尺寸长 532mm*宽 550mm*高 944mm，采用高温合金粉末，使用华曙高科的大尺寸金属增材制造设备 FS621M 一次性打印成型。层厚 80 微米，耗时 268h 打印而成，打印成型的零件经少量后处理后可以直接用于 验证和使用。根据环球网，铂力特利用 3D 打印完成了 3.07 米高，重量 196 千克的 C919 的中央翼缘条，并于 2012 年通过商飞的性能测试，于 2013 年成功应用在国产大飞机 C919 首架验证机上，这也是国产机型首次在 设计验证阶段，利用 3D 打印设计承力部件。

  增材制造工艺需要进行质量控制，自动化、智能化程度较低。根据《Process monitoring and machine learning for defect detection in laser-based metal additive manufacturing》，PBF-LB/M 和 DED-LB/M 等技术都需要 高度训练有素的技术人员来启动、监测和拆除组件。这与传统的制造业相反，因为在过去的几十年里，传统制 造业自动化程度不断提高。此外，由增材制造生产的部件往往受到工艺引起的缺陷的困扰、如孔隙、裂缝和由 于残余应力造成的变形、损害了部件的质量和一致性。加工引起的零件内的缺陷会降低机械和疲劳性能。导致 零件无法使用并低于设计的操作底限。工业制造经常采用严格的质量标准，以确保部件的一致性和性能。因此 增材制造工艺通常进行单独或小批量地生产零件，它变得昂贵，而且难以提供与传统制造相同的质量保证。且 文献中经常指出增材制造工艺的质量控制是阻碍其成为高价值行业的突出问题。

  机器学习技术与增材制造相结合，避免了大量的试错成本，显著提升了增材制造的成形质量和效率，加快了增材制造专用新型金属材料的研发进程，缩短了生产周期，有望进一步拓展先进增材制造技术的应用领域。 根据《基于机器学习的增材制作的完整过程优化与新材料研发进展》，随着人工智能技术的飞速发展，机器学习作为 人工智能的核心技术受到了研究者们的广泛关注。目前，机器学习技术已在增材制造领域得到了广泛的应用。 对于增材制造而言，机器学习的应用范围主要包括材料成分设计、加工参数优化与工艺窗口预测、过程监控与 质量改进，以及材料性能预测等。跟据中国航天报，2022 年 1 月 19 日，中国航天科工三院 159 厂自主研发的 自主可控增材制造智能生产线突破现有的增材制造单机离散生产模式，首次将智慧物流、工业互联网与增材制 造技术融合运用，粉末供应、物料运输及任务调度实现全流程自动化，单机设备利用率与综合产能大幅提升。

  由于我国的 3D 打印设备公司对于激光与振镜存在不同程度的进口依赖，因此推进增材制造装备核心器件 国产化至关重要。根据铂力特定增说明书，我国工业级增材制造装备核心器件严重依赖进口的问题依然较为突 出。增材制造装备核心器件，如高光束质量激光器及光束整形系统、高速扫描系统、大功率激光扫描振镜、动 态聚焦镜等精密光学器件以及部分电气元器件等存在对进口产品的依赖，公司进口核心元器件主要为激光器、 扫描振镜、运动控制系统电气元器件。激光器市场基本被 IPG 、Trumpf 等 3-4 家国外企业占有，扫描振镜市 场则主要被德国 ScanLab 公司占有。

  国内 3D 打印设备厂商开始布局国产化，希望实现核心器件国产化，激光器方面：根据容智三维以及大族 激光官网，容智三维旗下的 UM180E 所采用的激光器是来自于锐科激光的 RFL-C500，UM250-A 与 UM250-AT 也是采用的国产激光器。大族激光的光纤激光器与 CO2激光器都能用于增材制造，旗下的 3D 打印设备也采用 自身研发的激光器。 以工业激光器中占比过半的光纤激光器来看，目前，中低功率的光纤激光器基本完成了国产化进程，而增 材制造所使用的激光器功率普遍较低。根据 Laser Focus World 数据，2020 年中国光纤激光器市场规模约为 13.8 亿美元，其中国产比例约 56%，达 7.73 亿美元。其中，创鑫激光从 2019 年占比 12%提升到 2020 年的 17%。根据中国激光产业发展报告，从企业市场竞争格局来看，目前来自美国的光纤激光器制造商 IPG 仍然占 据了中国光纤激光器市场的最大份额，但是总体市场销售份额明显下降，从 19 年的 41.9%下降到 21 年的 28.1%。国产品牌占比显著上升，来自中国的锐科激光、创鑫激光和杰普特等企业，2019 年-2021 年市场份额 有所提升，分别占比 24.30%/11.9%/2.9%-27.3%/18.3%/5.6%，国产光纤激光器占比越来越高，进口依赖程度在 大幅度降低。预计未来国内企业的竞争力将进一步提高，市场份额将增加。

  振镜方面：根据铂力特定增说明书，考虑到公司未来批量化生产金属 3D 打印设备及技术升级需要，铂力 特与正时精控进行合作，并投资入股正时精控。正时精控具有完整自主可控的技术能力，能够保证公司未来生 产供应的稳定性，且正时精控核心技术团队已长期深耕扫描振镜产品，具有深厚的技术积累，目前其 PSH 系 列振镜产品部分技术指标已经优于公司所使用的同类产品，整体技术水平可以满足公司金属 3D 打印设备装机 应用需求。根据容智三维官网，旗下的 UM180 系列的扫描振镜部分采用的国产 RAY-MOTION 公司的 Neutron， 国产扫描振镜在我国增材制造设备厂商中已经占据了一定的市场份额，有望实现国产化替代。 设备工业软件系统是指控制 3D 打印设备制造运行全环节的整体控制系统，是整个 3D 打印设备的核心中 枢。目前，行业内大部分 3D 打印设备制造企业的 3D 打印设备工业软件系统系向第三方采购，软件性能提升 依赖并受制于软件服务商，限制了设备性能和材料性能的应用，难以快速响应客户软件方面的需求。因此，拥 有完全自主知识产权 3D 打印设备工业软件系统将有助于设备制造企业提升行业竞争力。

  我国 3D 打印设备制造商龙头企业开始使用自主研发的软件系统，开放核心工艺参数可供客户调整，能为 应用端提供完整解决方案。根据华曙高科招股说明书，华曙高科拥有产品和服务所对应的完整知识产权体系， 自主开发了增材制造设备数据处理系统和控制系统的全套软件源代码，是国内唯一一家加载全部自主开发增材 制造工业软件、控制系统，并实现 SLM 设备和 SLS 设备产业化量产销售的企业。根据铂力特定增说明书，BLT-BP 是一款用于增材制造过程中扫描路径规划及打印模型切片的软件。铂力特将工艺研发、设备使用及产 品打印的多年经验耦合进 BP 中进行自主研发，完成了增制造路径规划软件的国产化替代，在保持软件运行稳 定性、性能优越性和功能多样性的同时，进一步提升了软件的剖分效率和成形效率，帮助用户降低生产成本， 提高生产效率。

  积极推进金属 3D 打印定制化产品在民用航空航天装备、汽车设计制造、医疗、模具及其他制造业的应用， 加强金属 3D 打印定制化产品在一般工业领域渗透，提高 3D 打印可运用场景，提高其在各个下游领域的渗透 率。金属 3D 打印具有一体成形的特点，减重的同时还可提升复杂零件的加工效率，目前在航空航天、工业、 医疗等领域正快速渗透。航空航天是金属增材制造应用的重要领域，当前应用程度与未来潜在空间都较大。根 据 Wohlers Associate，2021 年全球增材制造应用市场中航空航天占比 16.8%，是下业中占比最高的领域。 金属增材制造在航空航天领域的渗透率不断提高，当前应用程度与未来潜在空间都较大。根据人民网，北 京时间 3 月 23 日上午 11 时 25 分，美国相对论航天公司的“人族一号”液氧甲烷运载火箭，在佛罗里达州卡纳维 拉尔角点火升空，火箭一级飞行和一二级分离正常完成，但分离后的火箭二级未能成功点火，发射以失败告终。 世界上首枚 3D 打印火箭在第三次尝试发射中取得了一定的成功，向全世界展示了 3D 打印的火箭可以承受最 恶劣的轨道发射条件，对金属增材制造技术的应用来说是一个重要的里程碑，验证了 3D 打印技术大范围制造 火箭零件的可行性。这枚 112 英尺（34 米）高的火箭的 85%是使用 3D 打印技术制造的，目前，公司也正在探 索开发出更大、完全可重复使用的 Terran R 火箭的技术。

  开发 3D 打印可运用场景，提高增材制造在下游领域的渗透率。根据中国航天科技集团，航天科技 集团六院 801 所电磁气动阀四机产品通过所级验收评审，实现了该所 3D 打印技术在阀门类产品中的首次应用。一直以来，电磁气动阀四机是制约任务完成率提高的关键单机，其中壳体零件最为复杂，需集成 四路电磁阀组件和一路导阀组件。为改进加工过程、缩短生成周期、提高交付合格率与质量稳定性，研 制队伍将 3D 打印技术应用于阀门零部件生产。该所阀门事业部与六院 7103 厂增材中心经过半年的设计 与攻关研制，最终实现成功应用与交付，为提高阀门产能、实现批量生产提供了有力技术支撑。后续， 该所将采用模块化设计思路，进一步提升批次合格率，持续迭代优化。

  增减材复合制造技术结合了增材近净成形和减材保证精度的优点，适合高精度复杂型面及具有内孔内腔零 件的一体化制造和修复再制造。增材制造技术有其独特的优势，特别在复杂度较高的零件构建上有着巨大的优 势，但随着人们对增材技术的深入认识，增材技术工艺的缺点也逐渐浮现，如航空航天领域的精密部件对尺寸 公差的要求十分严苛，单纯依赖增材制造构建的零件难以满足其精度要求。此外，大规模生产情景下增材制造 的生产效率低于减材制造。如果将增材制造和减材制造的优势结合起来，既能发挥增材制造材料利用率高，再 制造修复效率高，又能提高零件制造的效率，保证加工质量和尺寸精度。

  增减材一体化结合了增减材两方的优势，既提高了打印效率也提高了打印精度。根据中国新闻网，华科大 机械学院教授张海鸥团队创新的“智能微铸锻铣复合制造技术”，在世界上首次实现了铸锻一体化 3D 打印，该 技术将为航空航天高性能关键部件的制造提供我国独创国际领先的高效率、短流程、低成本、绿色智能制造的 前瞻性技术支持。根据国家增材制造创新中心官网，其已经制造出了能集成增材、车、铣加工、精度在线检测等功能的五轴联动增减材复合制造设备 LMDH600S、LMDH1000A 等，能实现钛合金等易氧化材料零件的复合 制造。

  支撑结构的存在会降低模型的表面质量，且去除支撑需要的后处理会提高成本。支撑结构被认为是 3D 打 印中无法避免的麻烦环节。根据南极熊 3D 打印，金属增材制造在凝固和冷却过程中，零件会产生热应力和残 余应力。而支撑有两个作用：一是作为固定件，固定零件，防止热变形而移动；二是热传导。临时支撑结构是 直接能量沉积(DED)和传统的粉末床熔融(PBF)技术所必须的，通常需要打印完成后加工操作去掉。更重要的是， 它限制了金属 3D 打印的设计自由度。支撑结构的存在本身就会导致支撑表面质量差，材料浪费，打印时间 长，打印件后处理复杂等问题。因此，合理设置支撑结构是打印复杂 3D 模型中一个很重要的方面，而无支 撑 3D 打印会最大程度降低支撑结构带来的影响。

  无支撑 3D 打印减少了后处理带来的成本并且可以加强金属增材制造的设计自由度。根据南极熊 3D 打印， VELO3D 与现有的粉末床熔接解决方案不同，具有独特的能力，可以打印低角度和低至 0°（水平）的悬垂， 以及大直径和高达 100mm 的内管，而无需支撑。这不仅省去了后处理的麻烦，而且克服了 45°法则——角度小 于 45°的就需要支撑。VELO3D 让设计师可以自由地构建，释放出大量可以 3D 打印生产的设计。根据 3D 科学 谷，2021 年 6 月 23 日，SLM Solutions 正式发布了全新的金属增材制造无支撑技术——Free Float。该技术为基 于选区激光熔化技术的增材制造设计开启了更高的自由度，在节省成本的同时进一步推进了工业级批量化生产 的进程。

  来自 EOS 公司 Additive Minds 的专家现在已经开发了多种工艺优化技术来生产无支撑结构的 3D 打印部 件，其中封闭式叶轮是较为典型的案例之一。通过优化设计软件和参数包，EOS 使用户能够以更低的角度 （有时甚至零角度）打印悬臂和桥梁，需要的支撑物少得多，甚至没有。根据《Support-Free Printing of Closed Impellers》，在叶轮案例中，无需使用实心填充，通过使用自支撑拱和薄壁对零件底部进行修改，以确保牢固 的平台连接并防止在构建过程中变形。这允许与传统支架一样使用更少的材料，同时提供高强度和改进的机械 加工性。叶轮的外径是封闭的，以便在构建时为零件提供更大的刚度，并防止出口边缘的几何精度损失。对于 这种叶轮，先进的设计能够减少 15% 的材料，同时具有加工优化和自支撑结构，并且没有内部支撑。

  系统级制造就是指对于总系统部件基于增材制造设计制造，而不单单只通过 3D 打印技术打印出个别零 部件。由于增材制造相比于传统工艺能够越来越好的制造复杂构件，且系统级制造应用慢慢的变多，其慢慢的变成了增材 制造技术的一大趋势。这一理念颠覆了传统设计理念，系统级层面全面思考，从功能优先的设计理念出发开展 产品设计。

  系统级制造可以提高增材制造在单个部件中的占有率，提高 3D 打印效率。根据 GE Additive 官网，其 3D 打印燃油喷嘴最初转为 LEAP 发动机开发和制造，基于 3D 打印带来的制造优势，新设计的燃油喷嘴将原来的 20 个部件变成了一个精密整体，并与其它组件通过钎焊连接，喷气燃料通过喷嘴内部的复杂流道实现自身冷 却。最终，新喷嘴重量比上一代减轻了 25%，耐用度提高了 5 倍，成本效益上升了 30%。 根据中国航发商发官网，增材制造微型涡喷发动机在中国航发商发临港基地顺利完成制造，标志着商发公 司增材制造整机成功地迈出了第一步。该项目以航模领域较为成熟的 KJ-66 型号微型涡喷发动机为基础，以增 材制造工艺特点及装配条件为约束，增材制造技术团队对原模型进行了优化，由原来 25 零件减为 18 零件。同 时，经过两轮次的迭代试制，增材制造技术团队已完成所有零部件的增材制造。

  （本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）