我國3D打印行現狀分析(一)
國內3D打印行業現狀分析
我國在3D打印的消費級和工業級領域起步很晚，在技術和應用方面與美國差距明顯。
3D打印是一個跨行業的產業，需要CNC技術——computer numerial control數控機床技術和材料科技的共同進步和發展，但是我國本身在這兩個領域和歐美發達國家相比就是落后的，當跨行業的時候，更是舉步維艱。嚴格的說，在工業級3D打印機領域我國目前還沒有一個企業可以生產商業化的產品，在整個行業的技術和產業化的積累已經比歐美先進企業落后了20年。
目前國內有一些從事3D打印機生產的中小企業，大致可分為三類：一是過去為國外相關企業提供配套產品，如今轉向基礎研發工作，能夠制造簡單的3D打印設備和耗材，其產品都是消費級的低端普及型產品，靠中國特色的低成本在國外市場生存；二是成為國外3D打印設備的代理商，經銷打印設備、成型軟件和特種材料；三是專注于應用領域，購買了國內外各類3D打印設備，專門為相關企業的研發、生產提供服務。
2012年，工信部副部長蘇波宣布 “將進一步推動3D打印產業化，并制定3D打印路線圖與中長期發展策略，準備在四川成都建立3D打印技術園區，投資規模約5億元，再投資2億元，成立3D打印技術協會�！�
我國在高端3D打印的技術開發和積累居于世界領先地位
為什么我國在消費級和工業級3D打印機產業領域如此落后的情況下，在高端3D打印領域處于世界領先地位呢？
實際上，我國的高端3D打印在產業化的道路上也是遠遠落后與西方的，但是在不計成本的個別定制和開發方面，我國已經掌握世界上鈦金屬粉末SLS的核心技術，同時解決了鈦金屬SLS致密度和強度的問題，可以打印出來世界上最大體積的鈦金屬結構件。
鈦是一種密度只有鋼鐵的一半，強度卻遠勝于絕大多數合金的材料，被廣泛用于航天航空業。美國是最早開發鈦合金3D打印技術的國家。1985年，美國就在國防部的主導下秘密開始了鈦合金激光成形技術的研究，并在1992年公之于眾。隨后美國繼續研發這一技術，并在2002年將激光成形的鈦合金零件裝上戰機試驗。
然而，因為在制造過程中鈦合金變形、斷裂的技術難題無法解決，美國始終無法生產高強度、大尺寸的激光成形鈦合金構件。2005年，美國從事鈦合金激光成型制造業務的商業公司Aeromet由于始終無法生產出性能滿足主承力要求的大尺寸復雜鈦合金構件，沒有實現有價值的市場應用而倒閉。美國的其他國家實驗室也無法攻克這一難題，目前只能進行小尺寸鈦合金部件的打印和鈦合金零件表面修復。
我國的鈦合金激光成形技術起步較晚，直到1995年在美國解密其研發計劃3年后中國才開始投入研究。早期基本屬于跟隨美國的學習，在全國多所大學和研究所設立實驗室進行研究。
在國家特別是軍方資金的持續支持下，經過數年研發，解決了“惰性氣體保護系統”、“熱應力離散”、“缺陷控制”、“晶格生長控制”等多項世界技術難題，我們已經有能力生產出結構復雜、尺寸達到4m量級、性能滿足主承力結構要求的產品，已經可以滿足航天航空的直接制造的要求。
2013年1月18日，國務院向北京航空航天大學教授王華明為帶頭人的團隊——“飛機鈦合金大型復雜整體構件激光成形技術”頒發國家技術發明獎一等獎。目前，這一技術在我國已經投入工業化制造，使我國成為繼美國之后、世界上第二個掌握飛機鈦合金結構件激光快速成形及技術的國家。
更加令人欣喜的是，在性能上，根據公開的材料表明，我國已經能夠生產優于美國的激光成形鈦合金構件。成為目前世界上唯一掌握激光成形鈦合金大型主承力構件制造且付諸實用的國家。
我國高端鈦金屬SLS技術主要應用領域
在解決了材料變形和缺陷控制的難題后，中國生產的鈦合金結構部件迅速成為中國航空研制的一項獨特優勢。由于鈦合金重量輕，強度高，鈦合金構件在航空領域有著廣泛的應用前景。目前，先進戰機上的鈦合金構件所占比例已經超過20%。
傳統的鈦合金零件制造主要依靠鑄造和鍛造。其中鑄造零件易于大尺寸制造，但重量較大且無法加工成精細的形狀，美國F-22戰機的主要承力部件便是大型鑄造鈦合金框。鍛造切削雖然精度較好，但是零件制造浪費嚴重，原料的95%都會被作為廢料切掉，而且鍛造鈦合金的尺寸受到嚴格的限制：3萬噸大型水壓機只能鍛造不超過0.8平方米的零件，即使世界上最大的8萬噸水壓機，鍛造的零件尺寸也不能超過4.5平方米。而且這兩種技術都無法制造復雜的鈦合金構件，而焊接則會遇到可怕的鈦合金腐蝕現象。
激光鈦合金成形技術則完全解決了這一系列難題，由于采用疊加技術，它節約了90%十分昂貴的原材料，加之不需要制造專用的模具，原本相當于材料成本1~2倍的加工費用現在只需要原來的10%。加工1噸重量的鈦合金復雜結構件，粗略估計，傳統工藝的成本大約是2500萬元，而激光3D燒結快速成型技術的成本僅130萬元左右，其成本僅是傳統工藝的5%。
更重要的是，許多復雜結構的鈦合金構建可以通過3D打印的方式一體成型，不僅節省了工時，還大大提高了材料強度。F-22的鈦合金鍛件如果使用中國的3D打印技術制造，在強度相當的情況下，重量最多可以減少40%。
目前，我國已經具備了使用激光成形超過12平方米的復雜鈦合金構件的技術和能力，并投入多個國產航空科研項目的原型和產品制造中。成為目前世界上唯一掌握激光成形鈦合金大型主承力構件制造并且裝機工程應用的國家。
圖 中國鈦合金3D打印機制造的大型承力零件
在中航成飛和沈飛的下一代戰斗機的設計研發中，激光鈦合金成形技術已經得到了廣泛運用。通過這一技術，正在研制的兩種第五代戰斗機殲-20和殲-31采用鈦合金的主體結構，成功降低了飛機的結構重量，提高了戰機的推重比；依托激光鈦合金成形造價低、速度快的特點，沈飛在一年之內連續組裝出殲-15、殲-16、殲-31等多型戰斗機并且進行試飛。
民用航空制造業也開始應用這一技術。目前，在西北工業大學凝固技術國家重點實驗室下設的激光制造工程中心，通過立體光固化成型技術為將于2014年投產，并在2016年投入運營的國產客機C919制造了鈦合金翼梁，長度超過5米。
除了制造外，這些部件在出現問題后，也將可以使用同樣的技術進行修復，而無需重新制造，這將可以節省大量用于更換受損部件的費用。
憑借激光鈦合金成形技術，中國在航空材料科學領域第一次走在了世界先進水平的前列，并為中國航空工業的發展打下了堅實的基礎。
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