金屬增材制造：從“小眾技術”到“行業剛需”

原文發表于《科技導報》2025 年第17 期 《 金屬增材制造的前沿技術創新與應用 》

隨著制造業創新和技術需求多元化，金屬增材制造在航空航天、汽車、醫療和能源等領域的應用不斷拓展。《科技導報》邀請上海交通大學材料科學與工程學院、上海交通大學內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展與熱點應用，分析了金屬增材制造在技術、標準和市場的不斷發展中展現出的廣闊前景，尤其在智能制造、綠色制造和個性化定制領域具有巨大潛力，未來有望實現更廣泛的應用。

當制造業向“復雜、定制、高效”轉型，金屬增材制造（金屬3D打印）憑“逐層堆積”優勢脫穎而出——相比傳統切削工藝，它能實現復雜結構、輕量化與定制化生產，已深度滲透航空航天、醫療、汽車領域。2024年該技術在材料、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年四大技術突破：撐起行業競爭力

1.新材料：從“能用”到“好用”

2024年金屬增材制造材料庫擴容，關鍵突破集中在四方向：

高性能合金：澳大利亞昆士蘭大學Zhang團隊在Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr合金中加納米鉬顆粒，細化晶粒并提升強度與塑性，如圖1；另有團隊研發的Ti42Hf21Nb21V16耐火高熵合金，屈服強度提升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的顯微組織和機械性能

圖2 制備耐火高熵合金的材料及實驗設計

功能梯度材料：Dan團隊通過鋁的擴散作用形成異質多梯度結構，設計的α-TiAl合金屈服強度近760MPa，如圖3；Zhu團隊實現鎳鈦合金成分梯度，定制相變溫度。

圖3 非均質多梯度結構的演化過程

新型粉末與油墨：Lin團隊開發液態金屬乳化凝膠油墨，結合水凝膠與鎵銦合金，實現高分辨率打印，如圖4；Ibrahim團隊用亞微米粉末提升SS316L力學性能，優于傳統工藝。

圖4 液態金屬高內相乳液凝膠的制備工藝及形成原理

生物兼容材料：Hu團隊用飛秒激光處理鈦合金植入體，提升骨整合與抗腐蝕性；Huang團隊在支架表面構建Cu-HHTP涂層，實現骨腫瘤消融與修復。

2.制造工藝：解決“浪費、變形、精度差”

2024年，制造工藝的優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團隊開發無孔洞增材技術，使Ti-6Al-4V鈦合金抗疲勞強度提升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構

控制應力與精度：Shang團隊優化激光參數并引入柔性支架，實現無裂紋鋁合金打印；Wang團隊用液氮冷卻降低鋁銅合金孔隙率。

提升表面質量：Ning團隊優化激光工藝，實現高質量純銅打印；Tertuliano團隊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與實時監測技術減少人工依賴：

AI預測：Hu團隊用機器學習識別缺陷、預測疲勞壽命；Guirguis團隊通過紅外成像+AI優化工藝。

在線監測：Liu團隊開發EWMA控制圖用于監控激光沉積；Yu團隊用機器視覺提升打印一致性。

數值模擬：Yang團隊構建熱力學模型減少誤差；Proell團隊優化鈦合金微觀結構預測效率。

4.軟件升級：減少試錯

多款軟件落地提升效率：Yang團隊的SAMPLE2D軟件減少金屬玻璃晶化；Macedo團隊的VOLCO-X自動調整參數；Kjer團隊開發開源系統，支持多材料打印并共享圖紙。

二、市場與應用：三大行業成主力

1.市場增長：增速領跑

2024年市場擴張受三因素驅動：航空航天與醫療對定制部件需求激增、技術降低應用門檻、向汽車小批量生產等中低端市場滲透。行業預測其增速將持續領跑增材制造領域。

2.行業應用：突破性案例

2024年技術在多領域落地，代表性應用，如圖6。

圖6 金屬增材制造在重點行業的新應用

航空航天：生產發動機復雜部件，減重20%-30%且耐高溫，已用于多款機型。

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

醫療：定制假體與植入體（如鈦合金髖關節），貼合度更高。預測2034年全球3D打印醫療設備市場達165億美元，年均增長率12%。

三、政策與標準：保駕護航

2024年國內外政策推動規范化：

國內：發改委將金屬增材制造相關裝備、材料納入《產業結構調整指導目錄》；工信部推動七大行業應用該技術；中華醫學會發布骨科應用指南。

國際：美國在《2024制造業戰略計劃》中強調其地位，擬擴大軍事設備應用。

四、挑戰與未來：突破瓶頸

1.核心挑戰

成本高（設備與材料價格昂貴）、精度穩定性待提升、標準化不足、環保與回收技術待突破。

2.未來方向

材料創新：研發耐高溫合金，關注可回收性；

自動化：AI自適應控制實現無人生產；

規模化：結合傳統工藝降本，推動批量生產；

數字化：用數字孿生優化全生命周期管理。

結語

2024年技術、市場與政策推動金屬增材制造進入規模化應用階段。未來隨成本下降、智能化提升，它將滲透更多領域，推動制造業向智能、綠色、個性轉型。對企業而言，抓住技術紅利可搶占升級先機；對普通人來說，3D打印的醫療植入體、汽車配件等或將走進日常生活。

本文作者：董樊麗、張兵、楊劍英、李薇薇

作者簡介：董樊麗，上海交通大學材料科學與工程學院、上海交通大學內蒙古研究院，副研究員，研究方向為新材料戰略研究。

文章來 源 ： 董樊麗, 張兵, 楊劍英, 等. 金屬增材制造的前沿技術創新與應用[J]. 科技導報, 2025, 43(17): 85?99 .

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