增材制造（AM），又称3D打印，是通过逐点、线、层叠加材料的方式制造复杂架构的新兴制造方式。按照打印耗材类别又可分为非金属和金属增材制造。金属增材制造由金属材料、制造设备和软 件三大部分构成。现阶段金属增材制造主要打印技术超过20种，主要分为粉末床熔融（PBF）技术、 粘接剂喷射（BJ）技术、材料喷射（MJ）技术、直接能量沉积（DED）技术、材料挤压（FDM）技术、金属光刻（ML）技术6大类以及其他较前沿的新兴技术，如超声能量沉积（UAM）等 。目前3D打印技术主要包括金属和非金属两大类，金属类近年来发展较快，本文着重针对金属增材制造进行介绍。
金属增材制造的工艺原理
增材制造是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。所以3d打印可以简单的管理为多层二维打印，3D打印一般使用特殊材料。根据速率尺度，按照三维图形，将其一层一层地喷涂或融合成三维图形，从而生产出难以用传统工艺加工的高复杂度产品。
与传统打印机类似，增材制造企业都是由数据技术驱动系统完成自己打印，且集合了软件，机械和电子等多个不同学科，但两者在打印材料和原理上有问题较多区别，例如中国传统打印主要是通过二维打印，数据可以输入主要以图片、文字等为主，而3D打印机输入源主要研究是以一种特定的三维结构模型等为主，因此较传统打印相比我们需要网络切片等步骤。
近年来金属材料增速较快，2009-2020年全球金属原材料营收年复合增速达37.0％。目前主流的金属材料包含988种，其中应用较多的包括钢材、铝合金、高温合金和钛合金等，同时有部分材料存在活性较强的问题，比如镁合金，在粉末状态下容易引起粉尘爆炸等风险，虽然可以通过全程气氛保护的方式实现加工，但由于成本过高和风险太大的原因，一直以来都停留在实验室阶段。
金属增材制造的技术路线分类
技术路线的不同直接影响到加工的方式和量终成型零部件的尺寸、精度和强度等。目前金属增材制造的主要技术路线大致可以按照形态、热源、送料方式等进行分类，主流的金属增材制造技术及主要公司如下图所示。
根据材料形态分类:
增材制造对材料的要求与传统的加工生产工艺研究有所了解不同。以粉末为例，一般可以用于粉末冶金技术行业，粉末冶金工艺是将粉末预成型后使用一个高温高压的条件方面进行分析最终定型的工艺，整个教学过程中粉末企业发生的物理冶金发展变化情况较为缓慢，材料有充分的时间信息融合反应。而增材制造系统工艺在热源的作用下的冶金变化是极快的。热源和粉体材料具有直接影响接触，粉体材料之间没有中国模具和外部环境压力的作用。因此对干粉体材料的球形度、空心度以及粉径要求较传统的粉末冶金有所提高不同;
根据热源分类:
考虑到气氛、成本、材料熔点和技术难度等因素，目前大多数企业使用激光作为三维打印的热源。此外，由于高能电子束、等离子体和电弧的不同特性，它们在不同的场合也有不同的应用。电子束的工作原理与激光不同。电子束是一种高能电子，它穿过目标表面，进入一定深度。通过振动靶材的分子，将电子的动能转化为热能，而激光加热的方式是直接利用光子加热靶材的表面。激光不能穿透目标材料。由于烧结材料的熔点与最终成形零件的熔点不同，不同的热源会形成不同的结构，在大气保护中，高能电子束往往需要真空环境，而激光则需要惰性气体保护。相比之下，等离子体和电弧热源主要依靠焊接热源来熔化原材料，根据成形路径逐层形成金属零件，因此没有大气保护。另外，一些热源采用基板/基板加热，在我国应用较少。
根据送料方式分类:
目前主要的给料方式主要有撒粉、送粉、送丝等。其中，铺粉工艺是将金属粉末铺在基板上，控制热源使各层粉末沿X-Y轴的路径熔化烧结，并逐层堆叠形成零件，特别适用于制造复杂程度高、加工成本高或定制程度高的零件。送粉 u002Fwire送丝技术主要通过激光熔化头或焊枪等逐层熔覆形成零件。虽然在成型复杂程度上略逊一筹，但在生产效率上有很大优势，而且对零件尺寸没有限制。
金属增材制造的发展历程
早在1998年，《科学》杂志就发表了一篇文章，介绍了可用于制造太空中三维复杂结构的立体光刻技术。2014年，《科学》发表文章介绍了纳米金属网格的激光冲击压印打印技术。《自然材料》杂志在2006年发表了“含有纳米金属簇的可印刷聚合物复合材料中受控的绝缘体到金属的转变”。用金属团簇印刷 u002f聚合物纳米粒子，结合后处理，可以实现绝缘状态和导电状态的切换。利用类似的方法，可以打印出有机晶体管和塑料微机电器件，实现无线电力传输。
近年来，在航空航天等各个领域发展应用的牵引下，金属结构材料增材制造企业受到了更广泛的关注。2013年 Nature 介绍了使用一种液态金属可以进行不断挤出打印的研究工作进展，2014 年 Scientific Reports介绍我们使用径向沉积增材制造信息技术产品开发利用梯度金属合金。研究者通过考察了不同成形加工工艺设计条件下的组织系统演化和缺陷没有形成管理机制，增材制造中金属的可打印功能特性是人们经济持续社会关注的问题，为了进一步提升中国金属复合材料的可打印性，研究者向金属原料中添加学生适当的形核纳米颗粒，实现了原本被认为自己不适合增材制造的 Al7075、Al6061 的 SLM 打印，获得了无裂纹的具有非常细小等轴晶粒内部组织的试样，获得了与锻件相当的性能；改善我国金属增材制造行业特性和性能的另一种方法是优化合金主要成分，Ti-Cu 合金就因具备高的成分过冷形成学习能力，能够得到显著细化晶粒组织并改善打印件的力学模型性能，而成为此很多方面的一个比较成功教育示范。
当下，金属三维打印行业在三维打印材料产值中所占比重从2013年的6.16% 上升至2020年的18.2% ，即使受到全球疫情的影响，2020年的销售额也比2019年增长了15.2% ，远高于高分子材料的年增长率。如今，三维打印共有988个金属级别，占所有三维打印材料(2,486个级别)的40% ，当中钢铁占27% 、镍基高温合金占21% 、钛合金占20% 、铝合金占12% 、钴基合金占6.7% 、铜合金占3.4% ，以及其他一些合金材料。
我国金属增材制造行业的发展现状
我们的研究人员在金属三维打印领域的研究已经形成了国际影响力，2020年11月，《科学》杂志发表了赵苍清华大学关于选择性激光熔化中孔洞缺陷形成机制的论文，2021年5月，谷东东教授发表了南京航空航天大学论文，指出集成材料-结构-性能设计和制造是金属三维打印的一个重要趋势。
在中国，3D打印技术越来越成熟。比如清华大学早在90年代就开始研究，现在已经在现代成型理论和FDM技术方面取得了丰富的成果。华中科技大学在分层实体制造技术上取得突破，推出了一系列HRP成型材料及相应设备；Xi交大自主研发了3D打印机喷头，同时开发了相应的紫外光固化成型系统及其配套材料，其中成型精度有望应用于微制造和光电器件领域。但总的来说，国内外3D打印技术的研发水平还有很大差距。
我国金属增材制造产业的政策支持
自2012年以来，三维打印已成为中国智能制造业发展的关键之一。中国政府出台了一系列扶持政策，促进三维打印产业的发展。未来，三维打印将继续在中国智能制造业的发展中发挥重要作用，并在一些核心技术、零部件、设备和材料方面赶上欧美国家。现阶段，中国支持三维打印技术的有关政策保持相对稳定，政府补贴金额较大(主要体现在科研项目资金上) ，对支持部分龙头企业特别是金属三维打印企业的技术研发和规模扩张发挥了重要作用，有利于相关企业的发展。但很大一部分企业依赖政策性补贴，对企业未来经营埋下较大风险。
截止到2022年，中国已有超过20个增材制造产业园区，多集中在沿海发达地区，其中河南、江苏、广东设立有3个产业园区。
2022年金属增材制造市场规模及未来预测
自2012年以来，金属增材制造就成为中国智能制造发展的关键之一，2022年全球金属粉末增材制造市场规模达102.1亿元（人民币），中国金属粉末增材制造市场规模达29.24亿元，随着产业和相关技术的不断发展， 其发展地位和核心竞争力也在不断提升，据贝哲斯咨询预测，2028年全球金属粉末增材制造市场规模将增长至200.44亿元， 预测期间CAGR将达到11.31%。
