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，向試樣施加應力速度為35MPa/min，然后以15%/min的應變速度進行試驗，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（集團）有限責任公司

軋制的直徑5m巨型鋁合金環件

3D打印技術又稱增材制造，起源于美國，最初由查爾斯·胡爾（Charles  Hoole）于1986年開發出光固化技術，并成立3D Systems公司。此后，經過20多年的發展，3D打印技術日臻完善，且相關產品和服務銷售額也持續上升。據沃勒斯協會（Wohlers Associates）統計，在1992－2017年間，3D打印產品和相關服務業務年收入復合增長率為25.4%。在世界范圍內，生產和購買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%，其他國家和地區約占5%。

3D打印工業是一種萬能產業，可以制造幾乎一切產品，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。從2019年開始，我國3D打印工業發展速度加快，在有些產品方面已處于全球領先水平，但總體上與先進國家相比還有一些差距，大約到2025年，或可成為全球領跑者。

3D打印汽車發動機缸體面世

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打印技術在汽車工業領域中的應用，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打印技術打印出了汽車發動機缸體（engine  block）樣件。該樣件各項性能優于預期，還節省了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（質量%）：Si0.40-0.8，Fe0.7，Cu0.15-0.40，Mn0.15，Mg0.8-1.2，Cr0.04-0.35，Zn0.25，Ti0.15，其它雜質單個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%。這種現象叫“停放效應”或“時效滯后現象”。但是，Mg2Si小于0.9%的合金，停放時間長反而對強度有利。這種效應與在室溫停放期間形成的空位－溶質原子集團的形核能力和臨界形核溫度TC的高低有關。高濃度Al-Mg2Si合金的Tc大于170℃，在室溫形成的空位－溶質集團較小，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尺寸的形團能轉變為沉淀相，又因形團后基體濃度降低，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。加入Cu小于0.4%能減輕停放效應的不良影響，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，對強度不利，少量Zn雜質對強度幾乎沒有影響，微量稀土元素RE能顯著改善導電線用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打印產品

躋身世界先進行列

近年來，我國在3D打印鋁合金產品方面成就非凡，有些3D打印產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，是制造低溫設備的絕佳材料。日本和美國發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，我國液態燃料貯箱和箱體連接環件也可以用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樣件是由我國增材制造創新中心、西安交通大學盧秉恒院士團隊利用3D打印技術制成的全球首件10m級高強鋁合金重型運載火箭連接環樣件。該樣件利用電弧熔絲增減材一體化制造技術，在整體制造的工藝穩定性、精度控制及變形與應力調控方面均實現了重大技術突破。

10m級超大型鋁合金環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鍵結構件。10m級超大型鋁合金環件質量約為1t，采用了多絲協同工藝裝備，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成功完成超大型環件屬世界首例。該成果將會助力3D打印繼續為我國航天事業發展，同時為我國航天事業中重大零件的快速制備提供了技術支撐。

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用，其標定成分（質量%）：Si0.2，Fe0.3，Cu5.8-6.8，Mn0.2-0.4，Mg0.02，Zn0.1，Ti0.02-0.1，V0.05-0.15，Zr0.1-0.25，其它雜質單個0.05、合計0.15，其余為AI，現在已發展到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系見表2。

2219鋁合金板材的包覆合金為7072，其成分（質量%）：Cu0.1，Mn0.1，（Si＋Fe）0.7，Zn0.8-1.3，Mg0.1，其它雜質單個0.05、合計0.15，其余為Al。2219鋁合金的應用溫度范圍-269℃-300℃，是可應用溫度范圍最廣的合金之一。斷裂韌性也高，在T8狀態下材料有很高的抗應力腐蝕開裂能力，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、鋁合金等大型關鍵主承力構件激光3D打印工藝、成套裝備、內部質量和力學性能控制及工程應用關鍵技術，這是北京航空航天大學大型金屬構件增材制造工程實驗室經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鍵承力構件，在國產新一代殲擊機、大型運輸機、運載火箭等航空航天重大裝備研制和生產中獲得了廣泛應用。2016年1月16日王華明院士主持的“飛機鈦合金大型復雜整體構件激光成形技術”項目獲得國家技術發明一等獎。

目前，雙性能整體葉盤技術的制造工藝主要采用焊接法，通過線性摩擦焊等技術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域往往會成為整個構件的薄弱環節，成為發動機的一個致命隱患。隨著3D打印技術的發展和不斷成熟，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先加工出凸臺，逐層堆積成鈦合金葉片。

國內首座3D打印景觀橋于2021年1月11日于上海市普陀區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域運用3D打印技術將設計藍圖轉變為實物，并投入實際使用的首次開拓性嘗試。3D打印沖破橋梁設計的束縛，將參數化的構建方式融入其中，不僅可以制造復雜形體，同時還可以利用成型技術對計算進行反饋，與設計師形成互動，使得設計更自由、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構，造型優婉，橋的整體工程使用了2臺機器臂3D打印系統，僅用了450h就制造完畢，造價也比普通的橋低34%，大大節約了時間、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灣的“星空高架公園”。橋體由可回收的碳酸聚脂復合材料打印而成，長9.34m、寬1.5m、高1.1m，總質量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構件激光快速成型技術并實現裝機應用的國家

在艦載機、四代機等新型軍用飛機的研制過程中，3D打印技術已經發揮了重要作用，承擔了包括起落架在內的鈦合金、鋁合金主承力構件的試制任務。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纖維增強復合材料的3D打印試驗。

國外3D打印鋁合金典型產品

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

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

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

●波音公司是率先將3D打印技術用于飛機設計和制造的國際航空航天器制造企業，利用3D打印技術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年收購了專門開發激光燒結金屬粉技術的莫里斯技術公司（Morris Techno - logies），用于為其Leap系列發動機制造零件。普惠公司投入數百萬美元聯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打印機生產航天器引擎部件，并計劃將打印設備發射到國際空間站，以期宇航員能夠利用空間站內的原料直接生產所需物品，改變完全依賴地面供給的補充模式。

3D打印技術市場不可低估

據日本數據調查公司富士經濟研究公司稱，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。

有專業雜志分析，2020年3D打印技術的使用次數增加了六七倍，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、監管機構也為該技術的普及提供越來越多的便利與支持……最初阻礙這項技術推廣應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療設備3D打印指南，在歐洲，與3D打印相關的委托加工服務正在普及。

不過應該指出的是，盡管3D打印技術潛力巨大，但以現有的技術條件而言還遠不具備取代傳統工藝的實力，在可預期的時期內也不可能做到這一點，但對傳統制造工藝來說，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，就個別領域來說也是很可能的。正如《經濟學人》所說：偉大發明所能帶來的影響，在當時那個年代都是難以預測的，1750年的蒸汽機如此，1450年的印刷術如此，1950年的晶體管還是如此。我們仍然無法預測，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

相關項目建設宜緊跟

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，在有些領域，我國的3D打印已達到領先水平，如中國鈦合金激光快速成型技術已處于國際領先。在世界范圍內，2020年生產和購買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。據相關機構預測，2025年以前，全球3D打印行業仍將保持年均20%以上的增速，筆者認為，中國的年復合增長率有可能達到30%或更高。

據有關部門統計，3D打印技術的行業應用主要為消費電子、汽車、醫療、航空航天、建筑、科研等領域。而從具體應用環節來看，3D打印技術仍主要用于設計樣品、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打印產業已從2018年以前的跟跑階段進入并跑階段，2025年或將成為全球此行業的領跑者，為盡決達到此目標，筆者認為應做好以下幾點：

●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件增材制造國家工程實驗室和研究所這樣的研發單位，以院士或科學家領銜帶領精英團隊進行研發，因為3D打印產業發展的關鍵在人才的培養。

●有計劃地以社會主義市場經濟為指引建立一些高精尖產品3D打印企業，如航天器的燃料貯箱連接環、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工藝制造有近50個零件，若用3D打印技術制造可集成為一個大部件；汽車零部件更是一個大產業，可建設多條生產線，最好與汽車制造企業合作，建立一些3D打印獨立企業，也可以在現有鋁加工廠、汽車廠等建設生產車間或生產線，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。

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

●醫療器械和“生物打印”市場令人憧憬

醫療行業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，而這恰是3D打印技術的優勢所在。當今，3D打印技術在助聽器材制造、牙齒矯正與修復、假肢制造等領域已獲得成功應用，并相當成熟。3D打印的牙橋等更加精準精細，相比傳統制備工藝更加方便快捷。同樣，采用3D打印技術可以很好地實現對剩余肢體的復制，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打印技術還可用于了解患者病情以及輔助醫患交流。例如3D打印機可以打印出患者的立體骨骼模型，醫生可以通過模型探討治療過程，與患者溝通手術方案；醫務人員還可以通過3D打印的復制品了解患者器官內部結構，還能夠在這些復制品上進行模擬手術。

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，再在骨架上培養干細胞，誘導其形成組織；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10天就可以建成一套房屋。3D打印技術最初主要用于設計模型的制造，但現在可以打印出復雜結構，極大地拓展了設計師的想象空間。2014年1月，數幢3D打印的建筑在蘇州工業園區亮相，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打印系統可以完成多個不同行業內10-20名工人的工作，而且可以24h不停地工作，不需要休息，能為開發商節省更多時間成本。

以上僅介紹了3D打印技術應用的幾個方面，其實可打印的物品數不勝數，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；電子器件領域可以打印的元器件數不勝數，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，而價格僅為傳統產品的50%；打印服裝服飾，用3D技術制作的服裝，不但外觀新穎，而且舒適合體，設計與打印的內衣與高跟鞋極具想象力。

總之，3D打印技術是一類極具發展潛力的高新技術，我國對此非常重視，2015年8月，中共中央政治局常委、國務院總理李克強主持國務院專題講座，討論加快發展先進制造與3D打印等問題。此后，各級政府和企事業單位都在認真落實黨中央和國務院的指示，大力發展3D打印技術，碩果累累，在不少3D打印產品的制造技術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，特別是在研發與創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、在各領域3D打印機制造與3D打印產品最多與最先進的國家。