金屬增材制造：從“小眾技術(shù)”到“行業(yè)剛需”

原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報》2025 年第17 期 《 金屬增材制造的前沿技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用 》

隨著制造業(yè)創(chuàng)新和技術(shù)需求多元化，金屬增材制造在航空航天、汽車、醫(yī)療和能源等領(lǐng)域的應(yīng)用不斷拓展。《科技導(dǎo)報》邀請上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院、上海交通大學(xué)內(nèi)蒙古研究院副研究員董樊麗等撰文，文章回顧了2024年金屬增材制造的最新研究進(jìn)展與熱點(diǎn)應(yīng)用，分析了金屬增材制造在技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)和市場的不斷發(fā)展中展現(xiàn)出的廣闊前景，尤其在智能制造、綠色制造和個性化定制領(lǐng)域具有巨大潛力，未來有望實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。

當(dāng)制造業(yè)向“復(fù)雜、定制、高效”轉(zhuǎn)型，金屬增材制造（金屬3D打印）憑“逐層堆積”優(yōu)勢脫穎而出——相比傳統(tǒng)切削工藝，它能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)、輕量化與定制化生產(chǎn)，已深度滲透航空航天、醫(yī)療、汽車領(lǐng)域。2024年該技術(shù)在材料、工藝、智能化等方面突破顯著，正克服成本與精度瓶頸，未來將成智能制造核心力量。

一、2024年四大技術(shù)突破：撐起行業(yè)競爭力

1.新材料：從“能用”到“好用”

2024年金屬增材制造材料庫擴(kuò)容，關(guān)鍵突破集中在四方向：

高性能合金：澳大利亞昆士蘭大學(xué)Zhang團(tuán)隊(duì)在Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr合金中加納米鉬顆粒，細(xì)化晶粒并提升強(qiáng)度與塑性，如圖1；另有團(tuán)隊(duì)研發(fā)的Ti42Hf21Nb21V16耐火高熵合金，屈服強(qiáng)度提升32%、延展性增加2%，如圖2。

圖1 通過激光粉末床熔融制備Ti?5553的顯微組織和機(jī)械性能

圖2 制備耐火高熵合金的材料及實(shí)驗(yàn)設(shè)計

功能梯度材料：Dan團(tuán)隊(duì)通過鋁的擴(kuò)散作用形成異質(zhì)多梯度結(jié)構(gòu)，設(shè)計的α-TiAl合金屈服強(qiáng)度近760MPa，如圖3；Zhu團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)鎳鈦合金成分梯度，定制相變溫度。

圖3 非均質(zhì)多梯度結(jié)構(gòu)的演化過程

新型粉末與油墨：Lin團(tuán)隊(duì)開發(fā)液態(tài)金屬乳化凝膠油墨，結(jié)合水凝膠與鎵銦合金，實(shí)現(xiàn)高分辨率打印，如圖4；Ibrahim團(tuán)隊(duì)用亞微米粉末提升SS316L力學(xué)性能，優(yōu)于傳統(tǒng)工藝。

圖4 液態(tài)金屬高內(nèi)相乳液凝膠的制備工藝及形成原理

生物兼容材料：Hu團(tuán)隊(duì)用飛秒激光處理鈦合金植入體，提升骨整合與抗腐蝕性；Huang團(tuán)隊(duì)在支架表面構(gòu)建Cu-HHTP涂層，實(shí)現(xiàn)骨腫瘤消融與修復(fù)。

2.制造工藝：解決“浪費(fèi)、變形、精度差”

2024年，制造工藝的優(yōu)化讓金屬增材制造從“能造”邁向“造好”：

消除缺陷：中科院金屬研究所Qu團(tuán)隊(duì)開發(fā)無孔洞增材技術(shù)，使Ti-6Al-4V鈦合金抗疲勞強(qiáng)度提升106%，如圖5，適用于航空航天。

圖5 3D打印鈦合金微孔分布及微觀結(jié)構(gòu)

控制應(yīng)力與精度：Shang團(tuán)隊(duì)優(yōu)化激光參數(shù)并引入柔性支架，實(shí)現(xiàn)無裂紋鋁合金打印；Wang團(tuán)隊(duì)用液氮冷卻降低鋁銅合金孔隙率。

提升表面質(zhì)量：Ning團(tuán)隊(duì)優(yōu)化激光工藝，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量純銅打印；Tertuliano團(tuán)隊(duì)在粉末表面刻蝕納米級凹槽，提升光吸收效率。

3.自動化與智能化：降本提效核心

AI與實(shí)時監(jiān)測技術(shù)減少人工依賴：

AI預(yù)測：Hu團(tuán)隊(duì)用機(jī)器學(xué)習(xí)識別缺陷、預(yù)測疲勞壽命；Guirguis團(tuán)隊(duì)通過紅外成像+AI優(yōu)化工藝。

在線監(jiān)測：Liu團(tuán)隊(duì)開發(fā)EWMA控制圖用于監(jiān)控激光沉積；Yu團(tuán)隊(duì)用機(jī)器視覺提升打印一致性。

數(shù)值模擬：Yang團(tuán)隊(duì)構(gòu)建熱力學(xué)模型減少誤差；Proell團(tuán)隊(duì)優(yōu)化鈦合金微觀結(jié)構(gòu)預(yù)測效率。

4.軟件升級：減少試錯

多款軟件落地提升效率：Yang團(tuán)隊(duì)的SAMPLE2D軟件減少金屬玻璃晶化；Macedo團(tuán)隊(duì)的VOLCO-X自動調(diào)整參數(shù)；Kjer團(tuán)隊(duì)開發(fā)開源系統(tǒng)，支持多材料打印并共享圖紙。

二、市場與應(yīng)用：三大行業(yè)成主力

1.市場增長：增速領(lǐng)跑

2024年市場擴(kuò)張受三因素驅(qū)動：航空航天與醫(yī)療對定制部件需求激增、技術(shù)降低應(yīng)用門檻、向汽車小批量生產(chǎn)等中低端市場滲透。行業(yè)預(yù)測其增速將持續(xù)領(lǐng)跑增材制造領(lǐng)域。

2.行業(yè)應(yīng)用：突破性案例

2024年技術(shù)在多領(lǐng)域落地，代表性應(yīng)用，如圖6。

圖6 金屬增材制造在重點(diǎn)行業(yè)的新應(yīng)用

航空航天：生產(chǎn)發(fā)動機(jī)復(fù)雜部件，減重20%-30%且耐高溫，已用于多款機(jī)型。

汽車：為新能源汽車定制電機(jī)、底盤部件，縮短研發(fā)周期30%，部分車企試產(chǎn)個性化配件。

醫(yī)療：定制假體與植入體（如鈦合金髖關(guān)節(jié)），貼合度更高。預(yù)測2034年全球3D打印醫(yī)療設(shè)備市場達(dá)165億美元，年均增長率12%。

三、政策與標(biāo)準(zhǔn)：保駕護(hù)航

2024年國內(nèi)外政策推動規(guī)范化：

國內(nèi)：發(fā)改委將金屬增材制造相關(guān)裝備、材料納入《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄》；工信部推動七大行業(yè)應(yīng)用該技術(shù)；中華醫(yī)學(xué)會發(fā)布骨科應(yīng)用指南。

國際：美國在《2024制造業(yè)戰(zhàn)略計劃》中強(qiáng)調(diào)其地位，擬擴(kuò)大軍事設(shè)備應(yīng)用。

四、挑戰(zhàn)與未來：突破瓶頸

1.核心挑戰(zhàn)

成本高（設(shè)備與材料價格昂貴）、精度穩(wěn)定性待提升、標(biāo)準(zhǔn)化不足、環(huán)保與回收技術(shù)待突破。

2.未來方向

材料創(chuàng)新：研發(fā)耐高溫合金，關(guān)注可回收性；

自動化：AI自適應(yīng)控制實(shí)現(xiàn)無人生產(chǎn)；

規(guī)模化：結(jié)合傳統(tǒng)工藝降本，推動批量生產(chǎn)；

數(shù)字化：用數(shù)字孿生優(yōu)化全生命周期管理。

結(jié)語

2024年技術(shù)、市場與政策推動金屬增材制造進(jìn)入規(guī)模化應(yīng)用階段。未來隨成本下降、智能化提升，它將滲透更多領(lǐng)域，推動制造業(yè)向智能、綠色、個性轉(zhuǎn)型。對企業(yè)而言，抓住技術(shù)紅利可搶占升級先機(jī)；對普通人來說，3D打印的醫(yī)療植入體、汽車配件等或?qū)⒆哌M(jìn)日常生活。

本文作者：董樊麗、張兵、楊劍英、李薇薇

作者簡介：董樊麗，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院、上海交通大學(xué)內(nèi)蒙古研究院，副研究員，研究方向?yàn)樾虏牧蠎?zhàn)略研究。

文章來 源 ： 董樊麗, 張兵, 楊劍英, 等. 金屬增材制造的前沿技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用[J]. 科技導(dǎo)報, 2025, 43(17): 85?99 .

本文有刪改，

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