文/ 陶亦然

金屬增材製造作爲整個增材製造體系中最有潛力和最具魅力的分支，是未來先進製造技術的重要發展方向之一。

增材製造（Additive Manufacturing），也稱快速原型製造（Rapid Prototyping）、三維打印（3D Printing ）、實體自由製造（Solid Free-form Fabrication），是一種以計算機三維模型輔助設計技術爲基礎，利用專用數控系統將特定材料粉末按照擠壓、燒結、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積出實體物品的製造技術。

相較於通過切削、打磨、組裝的傳統材料加工方式，其具有“自下而上”、“從無到有”、“逐步累加”的特點。因而，其有效解決了以往傳統材料製造方式無法實現複雜結構件製造的難題。金屬增材製造作爲整個增材製造體系中最有潛力和最具魅力的分支，是未來先進製造技術的重要發展方向之一。

◎ 圖源：EOS

在國家大力倡導新基建的背景下，金屬增材製造技術更是扮演着助力傳統制造業轉型升級的重要角色。目前，國內金屬增材製造技術已在航空航天、汽車製造、生物醫療等領域得到了長足發展，成爲現代高難度複雜金屬結構件製造的有效解決手段，隨之也誕生了一大批優秀的國產金屬增材製造設備廠商，共同助力國產金屬增材製造技術快速發展。

本文通過設備成型尺寸、激光器情況、最小鋪粉層厚三個增材製造設備重要參數維度入手，對國產金屬增材設備廠商產品進行簡要梳理，總結各廠商技術現狀，探討國內金屬增材製造設備可能的未來發展趨勢。

金屬增材製造技術主要分爲粉末牀熔合技術（Power Bed Fusion,）和定向能量沉積技術（Directed Energy Deposition）兩大類，如圖1所示。其中選擇性激光熔化（SLM）、選擇性激光燒結（SLS）、電子束熔化（EBM）、電弧增材製造（WAAM)是應用較廣泛的幾種技術。[1]

◎ 圖1 金屬增材製造技術概括

目前國內金屬增材製造廠商設備以粉末牀熔合設備爲主，其具有設備簡單，技術成熟，能直接成型出接近完全緻密度的金屬零件，不需要黏結劑，成型的精度和力學性能好，成型金屬零件領域覆蓋廣泛等特點。本文將着重介紹該類設備。

01

設備成型尺寸

決定金屬增材製造的廣度

作爲增材製造設備的重要參數之一，設備的最大成型尺寸決定了此設備最大能製造出的金屬零件大小，從而也間接決定了增材製造廠商所能涉及的市場範圍，更大的零件尺寸不僅能用於更大型的建築、裝備等領域，同時也能減少複雜裝備的構建數量，簡化裝配流程，降低製造成本。

因此，研發更大尺寸的增材製造設備是設備研發廠商不斷追求的目標。國內主流增材製造設備廠商粉末牀熔合設備最大成型尺寸如表1所示。

表1 國內主流增材製造設備廠 商粉末牀熔合設備最大成型尺寸 （數據來源：企業官網）

根據上表可以看出，大部分企業粉末牀熔合設備成型尺寸普遍仍處於200mm~800mm區間，屬於中小型粉末牀熔合金屬增材製造設備，只有西安鉑力特、煜宸激光和西帝摩3D擁有1000mm級以上成型尺寸粉末牀熔合增材製造設備。

200mm~800mm尺寸設備能夠滿足常規零件的生產要求。隨着製造尺寸的增加，整體控制、撲粉速度、製造精度的難度增加，且隨着設備成型尺寸的逐步增加而難度係數大幅提升。因此，國內整體金屬大型部件的增材製造水平還依然偏低，設備較爲侷限，市場仍偏向於中、小型零部件的製造。

02

激光器功率

決定金屬增材製造的速度

激光器是增材製造設備的重要組成部分。目前企業普遍所採用的選擇性激光熔化技術通過高能激光作爲能量源，按照三維CAD 切片模型中規劃好的路徑在金屬粉末牀層進行逐層掃描，掃描過的金屬粉末通過熔化、凝固從而達到冶金結合的效果，最終獲得模型所設計的金屬零件。[2]因此激光器的功率大小成爲決定增材製造成型速度的關鍵性因素。國內主流增材製造設備廠商粉末牀熔合設備採用激光器情況如表2所示：

表2 國內主流增材製造設備廠商 粉末牀熔合設備採用激光器情況 （數據來源：企業官網）

根據上表可以看出，目前國內主流增材製造設備廠商粉末牀融合設備所採用的激光器功率處在200w~500w之間，且大部分廠商都優先採用500w的激光器配備於主要設備。由增材製造特性可知，隨着零件製造尺寸的增加，所需能量也隨之增大，因而，大尺寸設備所需激光器功率也更大。

對於大功率激光需求，部分廠商採取的是利用4000w，甚至10000w或15000w的單臺超大功率激光器方案。雖然超大功率激光器方案很好的滿足了大尺寸增材製造設備的能量需求，但隨着激光功率增加，會出現激光模式及光束質量、成型精度降低等問題。針對這一問題，部分廠商採用多臺激光器並聯方案，利用2臺~6臺500w激光器並聯協同操作，不僅達到了單臺超大功率激光器的同等功率要求，而且通過每臺激光器功率的精細化調節，實現了製造的精準控制，有效提升了製造效率。

03

最小鋪粉層厚

決定金屬增材製造的精度

對於粉末牀融合增材製造設備來說，最小鋪粉層厚是衡量設備性能的重要指標，鋪粉層厚的大小，決定了成型後的成品精度，每層鋪粉越薄，精度越高，該設備製造複雜結構件的能力也越強。

因此，爲了製造更爲複雜的成品結構件，充分發揮增材製造相較於傳統制造方法的優勢，增材製造設備廠商紛紛儘可能減小粉末牀熔合設備的鋪粉層厚，提升粉末牀熔合設備的製造精度。國內主流增材製造設備廠商粉末牀熔合設備鋪粉層厚如表3所示：

表3 國內主流增材製造設備廠商 粉末牀熔合設備最小鋪粉層厚 （數據來源：企業官網）

根據上表可以看出，國內增材製造設備廠商目前粉末牀融合設備的最小鋪粉層厚普遍均爲20μm，個別企業達到了10μm的技術水平。其中廣東信達雅的設備做到了5μm的國內行業最高，具有一定的領先優勢。從最小鋪粉層厚數據來說，基本處於國內增材製造設備廠商行業領先地位，但行業之間技術節點相對趨近，行業頂尖企業仍相對較少，無法形成行業縱向的技術代差。

另外，需要指出的是，目前國內增材製造設備廠商鋪粉層厚20μm及以上粉末牀融合設備大多都是中小型成型尺寸設備，由於控制精度、激光功率、鋪粉均勻度等問題，隨着大型設備成型尺寸的增加，鋪粉層厚也有所增大，技術上還無法實現大成型尺寸與低鋪粉層厚的兼容。

04

其他技術方向設備廠商情況

除了選擇性激光熔化技術，國內部分廠商也推出了其他技術方向的金屬增材製造設備，表4所示。這些技術有着成本、尺寸、難度等方面其特有的優勢，很好的對增材製造設備市場形成了有利補充。

表4 國內主流增材製造設備廠商 其他技術方向設備情況 （數據來源：企業官網）

可以看到，目前擁有其他技術方向設備的國內設備廠商仍相對較少，技術成熟度也相對偏低，難以形成市場規模效應，與主流選擇性激光融合技術設備市場進行有利競爭也存在較大困難。

05

總結

增材製造技術的普及，有效的促進了製造業轉型升級，在簡化製造流程、提升製造水平的同時，也有效簡化了複雜零部件的加工與製造難度。作爲金屬增材製造市場的重要上游環節，金屬增材製造設備廠商起到了決定整體金屬增材製造行業水平的重要作用。

整體來看，目前國內金屬增材製造設備廠商普遍取得了一定的技術突破，形成了一定的技術積累，推出了許多富有市場競爭力的設備，有效的保障了我國金屬增材製造處於世界領先地位。

但與此同時，國內金屬增材製造設備還面臨着，技術方式單一、頂尖技術不多、創新性不強市場覆蓋面不大、市場佔有率不高等問題，這些都需要國內金屬增材製造設備廠商繼續加大創新、補齊短板，推出更多更符合市場需求，具有功能、領域、成本優勢的產品，共同助力國內金屬增材製造行業高速發展。

編輯/ e-works 張千慧