3D打印材料之金属材料 头豹词条报告系列

丝等多种形态的原材料生产、加工、制造、销售等环节。该行业的主要特点是高成本、高制造难度、高复杂度以 及需要高度精准度的生产设备。随着适用金属原材料的增加，3D打印将创造出更多种类的产品，未来应用范围也会越来越广泛。目前，我国3D打印金属原材料已基本摆脱依赖进口的局面，供应量和质量较为稳定。金属材 料的3D打印技术在航空航天、汽车、医疗器械、工业零部件等领域的应用广泛，并且随着技术不断发展，其应用范围还将不断扩大。从长远来看，金属材料的3D打印技术有望取代传统的制造工艺，成为未来制造业的主流 [2] 生产方式，这一趋势也将推动金属材料的3D打印技术在全球范围内的发展。 3D打印材料之金属材料分类（按金属材料的化学性质分类） 铝合金（AlSi10Mg）铝合金（AlSi10Mg）是首批经鉴定并优化用于3D打印的金属增材制造材料之一。它以韧性和强度而闻名。它还具有优异的综合热性能和力学性能，而且比重较低。铝合金（AlSi10Mg）金属增材制造材料用于生产航空航天和汽车零件。铝合金 （AlSi7Mg0.6）铝合金AlSi7Mg0.6具有良好的导电性、导热性和耐腐蚀性。这种铝合金增材制造材料用于原型开发、研究、航空航天、汽车和热交换器。铝合金（AlSi9Cu3）AlSi9Cu3是一种铝基硅铜合金。 铝金属 3D 打印材料 AlSi9Cu3用于要求良好高温强度、低密度和耐腐蚀性的应用中。该合金增材制造材料用于原型制造、研究、航空航天、汽车和热交换器。 钢金属包括不锈钢（316L、15-5 PH、17-4 PH）、马氏体时效钢（18 Mar 300 / 1.2709）、表面硬化钢（20MnCr5）、A2工具钢、D2工具钢、4140钢和H13工具钢。这些材料具有不同的特点和优势，适用于各种领域和应用。不锈钢具有高强度、耐腐蚀性和耐磨性，适用于航空航天、医疗和其他领域的应用。马氏体时效钢具有良好的韧性、抗拉强度和低翘曲性能，适用于制造注塑模具和其他机械零件。表面硬化钢由于热处理后的高表面硬度而获得良好的耐磨性，适用于汽车、工程和齿轮等应用。A2工具钢和D2工具钢具有优异的耐磨性，适用于冷加工应用。4140钢是一种工业中的多用途钢，适用于夹具、汽车零件、螺栓/螺母、齿 轮、钢联轴器等应用。H13工具钢以其硬度和耐磨性为特点，适用于挤压模具、注射模具、热锻模具、压铸型芯和插件以及型腔模具等应用。 钢金属 3D 打印材料 钴铬合金是一种高温合金，具有优异的耐磨性和耐腐蚀性，非常适用于制造航空航天零件、外科植入物和其他需要高耐磨损的应用。钴铬MP1是一种不含镍的钴铬合金，具有稳定的力学性能和精细、均匀的晶粒结构，适用于航空航天和医疗行业的许多应用，如生物医学植入物、高温下具有稳定力学性能的零件等。钴铬SP2是一种钴铬钼基高温合金粉末，专门用于制作牙科修复体，如烤瓷熔覆金属（PFM）牙冠和牙桥。钴铬RPD是一种用于制作可摘除的局部义齿的钴基牙科合金，具有高强度和耐腐蚀性。随着制造技术的不断进步和应用的扩大，钴铬合金在航空航天、医疗和其他领域的应用前景将会更加广阔。 钴铬金属 3D打印材料 钛（Ti6Al4V / Grade 5）是金属增材制造中最常用的钛合金之一，具有优异的力学性能和耐腐蚀性，重量比较轻。以其优异的强度重量比、可制造性和可热处理性胜过其他合金。该合金流行的应用包括制造航空航天和 3D打印材料之金属材料分类 汽车（赛车）零件。钛合金（Ti6Al4V / Grade 23）这个级别的钛合金也具有优异的力学性能和耐腐蚀性，且比重量较低。该级别钛合金提高了延展性和疲劳强度，使其广泛适用于医疗植入物。 钛金属 3D 打印材料 镍合金材料在工业领域具有广泛应用。Inconel™ 718/ UNS N07718是一种高温合金，具有优异的屈服强度、拉伸强度和蠕变断裂强度，在航空航天工业中用于高温涡轮机零件。Inconel™ 625/UNS N06625是一种高强度、高温韧性和耐腐蚀性的高温合金，在氯化物环境中极耐点蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀开裂，是航空航天工业制造零件的理想选择材料。UNS N06002 /Hastelloy X是一种哈氏合金，具有优异的高温强度、可制造性和抗氧化性，在石油化工环境中能抵抗应力腐蚀开裂，常用于受到恶劣热条件和高氧化风险的零件。 镍金属 3D 打印材料 这些材料具有优良的成型和焊接性能，能够在极端环境 3D打印材料之金属材料行业特征 随着3D打印金属材料的原料来源得到不断的开发，并随着下游制造工艺流程的持续优化创新，使得增材制造产成品越来越成熟，其性能指标已接近甚至超越铸造、锻造产成品，越来越多的行业和企业选择应用金属3D 打印产品，逐渐在现代制造业中占有重要地位，可用于制造航空、汽车、医疗器械、工业机械等高性能零部件，为制造业带来了诸多优势。尽管如此，金属3D打印材料的高门槛性，模糊的行业标准以及高风险性使得金属3D [6] 打印在民用领域仍应用较窄，因此，行业标准的统一化和行业民用领域的渗透将是行业发展亟须解决的痛点。 [7 准入门槛 中国金属3D打印材料的高技术集中度和标准复杂度使得行业准入门槛较高 目前，中国金属3D打印材料行业下游较集中应用于航空航天，医疗器械和工业机械等高技术制造领域，上述领域因为国家战略发展的需要使得行业应用所需的资本得以快速集中，为连续创新和技术沉淀奠定基 础，其次在目前的金属3D打印材料行业，金属材料的强度，硬度，韧性等物理性能以及耐高温，耐腐蚀等化学性能的综合要求，金属3D打印材料的标准复杂多样，在进行工艺设计和数据检测等环节均提出较高要 求，最后，综合上述一系列要求，一支综合技能过硬，知识储备丰富的专业人才团队也使得行业的人才稀缺。 行业周期 金属材料作为工业级领域的关键3D打印材料，在服务国家发展战略的同时，也将惠及民生，市场规模增速较快，目前处于快速成长期。 观察中国金属3D打印材料行业的发展规律，目前正处于先军后民的发展转型期和快速增长期，金属3D打印材料在航空航天领域具有较大的轻量化及性能优势，因此率先在该领域得到应用，随着行业需求的多样化 和金属3D打印材料的成本逐步下降，民用领域的应用逐步增多，带来巨大市场增长空间，以医疗领域，模具领域和热交换器领域为突出代表。 中国的金属3D打印材料行业随着全球3D打印行业迅猛发展而快速成长，并受下游市场巨大需求的刺激，行业进入企业较多，竞争激烈程度加剧。 知名企业在金属3D打印材料行业中具有很强的品牌优势、技术实力和研发能力。这些企业能够投入大量资金用于研发新型材料、开发新工艺和提高生产能力，以获得更多的市场份额，但随着近些年头部企业的专 利到期，相关技术将得到扩散，更多企业将成功实现研发转化，行业竞争进一步加剧，且随着金属3D打印材料在民用领域的扩大化应用，更多中小企业将会获得机会进入到金属3D打印材料行业，竞争者类型多样 化，竞争程度加剧。 萌芽期 1990~1999 我国自20世纪90年代中期开展金属3D打印技术研究，研究的重点以能量沉积法（DED）和粉末床熔融法（PBF）为主。1997年西北工业大学“金属粉材激光立体成形的熔凝组织与性能研究”是我国在 DED-L技术方面第一个正式成立的科研项目。从整体来看中国金属3D打印材料以研究为主，应用较少，且对于其他技术研究较少 中国金属3D打印材料处于起步阶段，由欧美国家为先导带动研究，技术研究和材料制备重点突出， 且主要集中于高校实验室。 启动期 21世纪以来我国DED技术开始进入应用阶段，以我国西北工业大学、北京航天大学等为代表。2006 年西北工业大学销售了我国第一台DED-L商业化装备。同年，北京航空制造研究所开展DED-E技术的 研究工作，开发了我国首台DED-E成型装备。我国PBF技术的研究始于21世纪初。2004年，华中科技大学和华南理工大学几乎同时开始SLM成形技术与装备的研发工作。到2009年左右，两家单位均 已自主研制成功了专业化的SLM装备。除SLM技术外，清华大学于2004年申请了SEBM技术方面的首个中国专利，并研制成功了SEBM试验装备。2006年，西北有色金属研究院委托清华大学试制了 SEBM型实验装置，开展钛合金SEBM成型技术研究。 中国金属3D打印材料进入初步发展阶段，DED技术已逐步实现社会层面的应用，同时PBF技术开始 在众多高校院所启动研究，各专利技术成果丰硕，交叉研究深入，产学研合作逐步落实。 高速发展期 2010~2019 我国DED装备和技术取得了长足的发展。2012年，北京航空航天大学DED-L方面的研究成果获国家技术发明一等奖。2015年，西北有色金属研究院控股的公司研制成功了我国第一台商业化SEBM成形 装备，并于2017年联合中国相关单位制定了我国金属3D打印领域的第一个材料标准(GB/T 34508- 2017，粉床电子束增材制造TC4合金材料)。2015年，工业和信息化部公布《国家增材制造产业发展推进计划（2015-2016年）》。文件指出，要从五方面来推进3D打印的发展：着力突破3D打印专用 材料、加快提升3D打印工艺技术水平、加速发展3D打印装备及核心器件、建立和完善产业标准体 系、大力推进应用示范。2016年10月19日，中国增材制造产业联盟成立。在该十年间金属3D打印材 料在航空航天、远洋船舶、科学研究等领域应用广泛，全方位服务国家战略领域。 中国金属3D打印材料进入快速发展的阶段。各高校、科研机构、产业园区、企事业单位和政府部门 联合发展增材制造产业，推动中国金属3D打印材料行业发展。行业标准及宏观发展纲要在该阶段逐步明晰建立，发展稳定性增强。 成熟期 2020~2023 2021年，中国增材制造产业联盟出版发行了《中国增材制造产业年鉴（2020）》。同年，首届国际增材制造、粉末冶金与先进陶瓷展览会（Formnext + PM South China）在深圳国际会展中心举 办。2022年3月，国际增材制造权威研究机构Wohlers Associates发布增材制造产业报告，这是该机构第27年发布产业报告。中国增材制造产业联盟专家委委员、清华大学教授林峰，中国增材制造产业 联盟秘书郭丹作为中国区编委参与了本年度报告的编写。2023年6月15日，第六届中国（西安）国际3D打印大会暨秦创原3D打印高端论坛（简称：第六届IAME）正式开幕，第六届IAME以“增材制造 学术及技术交流+3D打印技术与装备展+3D打印大赛+专项活动”为基本框架，内容涵盖第370场中国工程科技论坛——增材制造、秦创原3D打印专业论坛、中国（西安）国际3D打印技术与装备展、 中国（国际）3D打印创新创业大赛、新品发布等其他专项活动。2023年在荣耀集团新推出折叠屏手机荣耀Magic V2 中，首次利用了3D 打印技术进行批量生产，该手机的铰链使用钛合金3D 打印工 艺。 中国金属3D打印材料发展进入成熟稳定期，该阶段金属3D打印材料开拓出更多新的应用场景，下游 市场进一步丰富，材料制备水平达到国际先进水平，产学研继续深入落实，服务社会，产业发展指标明确，纳入国家宏观统计范围。 生产制造端 上游厂商 产业链中游说明 中游环节主要是将上游提供的金属合金转化成适用于3D打印的金属粉末，该环节需要复杂的制备技术 和设备。 从市场发展空间来看，中国的金属3D打印材料市场份额持续增长，呈现出稳步提升的趋势。预计到 2027年，金属3D打印材料市场规模将达到111.25亿元人民币，占据整个3D打印材料行业的 60.75%。这一趋势的背后原因，不仅源于金属3D打印技术的进步，更与金属粉末制备技术的自主创 新和改进密切相关。在金属3D打印材料市场中，粉末质量直接影响着打印产品的质量。目前，中国金属3D打印材料市场虽然不断扩大，但与国际市场相比，仍存在着金属粉末制备技术、制备方法和工艺 流程方面的差距。