解读2016欧美地区增材制造在钛行业的应用

亚洲工业网讯 近年来，3D打印在各行业的应用不断拓展。从全球来看，增材制造技术的行业应用主要分布于消费电子、汽车、医疗、航空航天、建筑、科研等领域。图1为增材制造技术在各行业的应用分布。欧美地区增材制造技术在钛行业的应用主要分布在航空航天、国防及医疗领域。下面小编就来和大家一起看一下3D打印在这些领域的应用案例。

图1 增材制造技术在各行各业的应用

1 航空航天领域

3D打印技术在航空航天领域可应用空间极大，主要应用包括：无人飞行器的结构件加工；生产一些特殊的加工、组装工具；涡轮叶片、挡风窗体框架、旋流器等零部件的加工。但目前为止飞机批量装备3D打印零件的案例还很少，销售额尤其是大型结构件和承力部件。由增材制造技术生产的金属零件具备“轻量化”和“高强度”。这一直是航空航天领域对于未来器械设备制造的要求。比如，由激光快速成型技术打造的一次成型钛合金的承力能力比普通锻造、焊接强上近30%。

由于航空航天设备所需要的零部件往往都是一些需要单件定制的小部件，传统工艺生产周期长且成本高。而增材制造技术低成本、快速成型的特点则能很好地弥补这一问题。传统技术在生产零件过程中会造成许多不必要的损耗，对于复杂产品，有时原材料利用率仅有不到10%。而增材制造技术则能很好地利用原材料，利用率高达90%。增材制造降低了飞机的采购质量与飞行质量（buy-to-fly）的比值，与传统机加方式相比废料大幅减少。原本需要52周的加工减少至25周。 据估计，到2023年增材制造每年在航空航天市场可产生的价值约为12亿英镑（18亿美元）。

1.1 英国TiPOW项目

2015年4月底，有政府背景的英国机构出资310万英镑，与多家科研机构签署了一项为期三年的合作研究协议。据了解，出资方为英国航天技术研究所和Innovate UK，主持该项研究的是吉凯恩航空公司（GKN Aerospace）及其下属的GKN粉末冶金事业部，其他参与机构包括英国凤凰科技产业、metalysis公司以及利兹大学。此次合作研究项目被称为钛粉净形部件制造（Titanium Powder for net-shaped component manufacture），或TiPOW，该项目研发钛粉。

metalysis将使用电解技术直接从金红石生产出钛粉末，降低了金属粉末生产的成本。 产出的钛粉通过增材制造方式用于制造航空航天用零部件。通过不断优化降低成本，研发低成本制造钛粉的设备及相关技术。为了能够符合航空航天工业的最终应用要求，这些材料须符合严格的标准。通过合作开发钛合金和粉末，TiPOW的企业合作伙伴将不仅致力于打造最适合增材制造的材料，还将探索材料的再利用及钛金属的回收，并寻找回收材料的各种可能应用。 除此之外，吉凯恩航空公司还领导着另外一项同样获得了英国航天技术研究所支持的增材制造项目——Horizon，该项目汇集了欧洲和北美的五大开发中心，共同致力于开发基于增材制造衍生出的制造技术。

1.2 欧洲航天局

欧洲航天局正在积极研究使用增材制造技术制造航天器、飞机、甚至核聚变的金属部件。名为AMAZE（针对迈向零废物及高效生产的高新金属制品制造）的项目计划在五年内完善金属增材制造技术。 欧空局表示新的金属增材制造技术可以承受的温度高达摄氏3500度，远远超过传统使用塑料粉末的增材 制造温度极限。欧洲宇航局正在欧盟内与工业和教育的合作伙伴联合开发大规模制造金属的增材制造方法。 最终目标是五年内完善金属部件增材制造。 AMAZE项目正如它名字所暗示的一样，目标是减少浪费，降低生产成本。增材制造技术还可以帮助工程师制造传统方法无法制造的零部件。欧洲航天局表示，这项计划今年1月已经拉开序幕，现在的工作主要是在法国、德国、意大利、挪威和英国建立一个可靠的产业供应链。

1.3 美国卡朋特

美国卡朋特旗下子公司卡朋特粉末产品公司（CPP）是全球最大的气雾粉末供应商之一，金属合金粉末注册商标为Micro-Melt? 。公司具备工模具钢、PM产品和冶金粉末，其中冶金粉末用于增材制造。卡朋特的粉末采用增材制造技术，通过直接从数字设计资料生产零部件节约成本和时间。 卡朋特是美国普拉提&惠特尼（P&W）长期的金属材料供应商。2013年，卡朋特与美国联合技术公司（UTC）签订一份合约，将合资在美国阿拉巴马州新建一个高温合金粉末厂，该厂于2015年夏投产。此外，合约内容中还包括一旦新厂的产品获得认证，卡朋特将为UTC旗下公司P&W提供高温合金粉末，供货期长达20年。 2015年10月，卡朋特宣布将在美国阿拉巴马州新建一个钛粉厂，以扩大其航空航天及医疗设备市场的占有率。新厂靠近卡朋特的一家特种金属粉末厂。新厂预计将于2018财年开工。

1.4 美国P&W

美国普拉提&惠特尼公司（P&W）是美国主要的飞机发动机制造商之一。2015年第二季度，公司交付了第一台由增材制造技术生产的飞机发动机。

1.5 美国洛克希德马丁

2014年，美国洛克希德马丁的子公司空间系统公司（SSC）从西亚基（Sciaky）购买电子束增材制造（EBAM）系统。SSC研发和制造卫星、航天探测器及导弹防御系统，计划于2015年第二季度采用EBAM系统生产钛油箱等零部件。据称，早前SSC已采用增材制造技术生产航天器零部件，但规格相比采用EBAM生产的零部件规格要小。SSC称，EBAM技术将帮助公司大幅降低材料成本、前置时间和机加时间。 西亚基根据CAD软件中的3D模型，采用全关节、移动电子束焊枪通过金属丝逐层熔融沉积金属（主要是Ti6Al4V），直到该零部件达到“近净”成形。采用传统工艺制造出飞机用钛油箱可能需要长达数月的前置时间。采用西亚基系统可将此时间缩短为数日。 此外，业内人士称采用EBAM将为SSC带来更多的灵活性，特别是在原型设计方面。SSC对新增材制造技术如何同更多传统的制造方式相结合也十分感兴趣。

1.6 美国铝业

美国铝业（Alcoa）位于美国密歇根的分公司主要经营飞机机翼、结构铸件和特种产品业务。由于飞机建造率不断攀升，2015年美国铝业计划在该公司投资2，200万美元生产钛、镍基3D打印飞机发动机零部件，投资发展热等静压技术（HIP），使公司能生产最大的飞机发动机零部件。HIP包括高压及高温的同时应用，以创造更好的铸造产品，如飞机发动机叶片及结构件。增材制造零部件采用粉末金属，如钛和镍，通过HIP工艺制成。这些新技术预计将于2016年完成产品认证。 美国铝业旗下子公司RTI国际金属公司（RTI）可进行钛、钛合金及其它金属基复合材料的粉末冶金。公司在马萨诸塞州伯灵顿和俄亥俄州奈尔斯的科研及加工团队有经验及人才研发高级粉末冶金及制造工艺，能满足商业航空、飞机发动机、国防、能源及医疗设备市场近净成形零部件需求的增长。

美国铝业旗下子公司RTI Directed Manufacturing可利用增材制造或3D打印技术，制造钛及其它特种金属、塑料零部件，产品用于商业生产及模型制造。据称，RTI Directed Manufacturing是少有的具备钛、特种金属，如镍铬超合金及钴铬合金增材制造技术的公司。主要客户为大型航空航天及医疗设备公司，为其客户生产螺旋桨、注射喷嘴、井下产品、手术器械等。 2015年9月，Alcoa宣布将投资6，000万美元扩建其位于匹兹堡的研发中心，提高其3D打印技术[2] 。公司称，扩建后的公司将主要关注航空航天市场，研发适用于3D打印的粉末，如新的铝合金粉末。

1.7 挪威NTi

挪威的Norsk Titanium AS （NTi）是直接金属沉积（DMD）技术的开发者和专利拥有者。该增材制造打印技术彻底改变了钛金属部件的制造方式，可降低70%的成本并减少90%的生产时间。NTi已取得了技术准备六级（TRL6）资格，表明该公司有能力满足航空航天及军工材料的要求。2015年下半年，NTi获得美国铝业的战略投资，将进一步发展增材制造技术并在美国建设首家增材制造厂。NTi称，在美国铝业的帮助下，公司预计将在2016年第一季度实现获得技术准备八级（TRL8）资格的目标。 2015年10月，美国铝业和NTi签署了谅解备忘录，计划展开一项联合技术及工业合作项目，目的是确定共赢项目，为航空航天、国防、能源、汽车和海洋市场创造产品。

此次合作将利用NTi的技术和美国铝业的冶金及营销经验，推动3D打印直接沉积技术的全球应用范围。其实，早在此次合作之前，两家公司就颇有渊源。2015年7月，RTI投资NTi，成为NTi的战略投资者和合伙 人之一，而美国铝业也在7月底完成了对RTI的收购。 2015年11月，NTi计划在美国建第二家增材制造厂。NTi在美国建厂的目的是欲将增材制造技术引进美国，特别是航空航天市场。NTi在美国建立的首家工厂具体区位尚未透露，但预计将于2016年进行首批零部件的交付。NTi已在进行产品测试，使其满足航空航天级认证。预计在其航空航天类产品获得认证后，还有可能涉足石油和天然气、海洋和汽车行业。

1.8 美国GE

2013年底，美国通用电气（GE）宣布将采用增长制造技术中的选择性激光熔化（SLM）技术为其新leap发动机生产钛燃油喷嘴，每年大约生产40，000个。据称，采用SLM技术生产喷嘴，生产周期可缩短三分之二，成本降低百分之五十，同时，可靠性得到了大幅提高。这批燃油喷嘴是一次成型零部件，而过去是由18个不同零部件组装成。 GE公司还曾依托中国西北工业大学的LSF技术制造了GE90发动机复合材料宽弦风扇叶片钛合金进气边和高温合金机闸。其中，钛合金进气边长1，000mm，壁厚0.8~1.2mm，最终加工变形仅0.12mm。 2013年底，GE举办“增材制造喷气发动机支架设计探索”竞赛，该比赛要求参赛者使用3D打印技术重新设计喷气式发动机的载荷支架。

冠军得主设计的钛合金发动机支架将支架的重量减重84%。 对于即将投产的GEnx发动机的轻质涡轮叶片，通用电气表示，将使用另一种突破性的增材制造工艺。这种技术是由GE子公司Avio Aero和瑞典的Arcam公司的工程师开发的，被称为电子束熔融或EBM，即使用电子束作为其能量源逐层融化金属粉末。GE将采用先进的航空航天材料钛铝（TiAl）制造叶片。

这种材料比常用于低压涡轮叶片的镍基合金轻50％左右。据称，使用由钛铝材料制成的叶片，整个低压涡轮机的重量可以减少20％。GE使用3千瓦的电子枪加速电子束熔化钛铝粉末。电子枪的功率比目前用于打印金属零件的激光束强10倍，使得该公司能够制造出比激光打印厚4倍以上的涡轮叶片。此外，打印速度十分快，一台3D打印机72小时内就可以生产7片低压涡轮机的8级叶片。GE认为这将使公司在铸造方面非常有竞争力，称在测试3D打印的Genx发动机叶片后，这些零部件将用于发动机GE9X。GE9X是GE为波音公司的新一代长途飞机777X开发的新型喷气发动机，是目前世界上最大的喷气式发动机。

1.9 Praxair

世界领先的工业气体供应商Praxair的子公司从2015年第三季度开始进行航天级精细球状钛粉的全面生产。该公司能够利用专有的雾化方法进行钛粉的大批量生产，加速钛金属在3D打印的应用推广。

2 军工领域

军备需求增长明确 20世纪90年代军事用钛支出主要关注传统的用钛量大的装备，如战斗机和提升防御能力的轻型车辆，还有网络安全和无人机及海基雷达系统和弹道导弹防御系统等项目。这些武器项目不被认为是钛材应用的主要市场，为了推广钛的应用，钛行业需要利用采用改变钛零部件加工方式的技术和材料，如金属粉末及3D打印技术。

2002年美国开始将激光成形钛合金零件装上战机试验。但由于无法解决制造过程中钛合金变形、断裂等技术难题，始终只能生产小尺寸钛合金部件。近年，美国积极开展3D打印技术生产大型钛合金部件的研究。美国军方和军工企业正与美国3D打印技术公司合作，推进大尺寸钛合金3D打印技术在战斗机制造上的应用。2012年，美国在重整制造业计划中将3D打印技术列为国家重点发展的11相技术之一。

2.1 歼击机项目

第三代歼击机中钛合金结构件用量由F-16的约3％增加到了F/A18-ElF、苏-27的15％以上，而第四代歼击机F-22中钛合金结构件用量已占机身结构总重量的41％，事实上，大型整体钛合金结构件用量的高低已成为衡量飞机等国防装备技术先进性的重要标志之一。 美国F-22战机的主要承力部件是大型铸造钛合金框。但是零件制造时材料浪费严重，原料的95%都会被作为废料切掉，而且锻造钛合金的尺寸受到严格的限制：3万吨大型水压机只能锻造不超过0.8平方米的零件，即使世界上最大的8万吨水压机，锻造的零件尺寸也不能超过4.5平方米。

而且这两种技术都无法制造复杂的钛合金构件，而焊接则会遇到可怕的钛合金腐蚀现象。 激光钛合金成形技术则完全解决了这一系列难题。由于采用叠加技术，它节约了90%的原材料，加之不需要制造专用的模具，原本相当于材料成本1~2倍的加工费用现在只需要原来的10%。加工1吨重量的钛合金复杂结构件，粗略估计，传统工艺的成本大约是2，500万元，而激光3D焊接快速成型技术的成本仅130万元左右，其成本仅是传统工艺的5%。更重要的是，许多复杂结构的钛合金构建可以通过3D打印的方式一体成型，不仅节省了工时，还大大提高了材料强度。

2.2 3D Systems

美国3D Systems公司在激光熔融技术上取得重大进展。美国空军在此基础上开发用于F-35战斗机和其他武器系统的3D打印机。

2.3 波音

2000年，波音公司（Boeing）宣布采用LSF技术制造三个钛合金零件，用于F-22和F/A-18战斗机项目，并在2001年制定了LSF技术的美国国家标准（该标准 于2011年进行了修订）。

2.4 美国西亚基（Sciaky）

2013年，美国的西亚基（Sciaky）公司，在宾夕法尼亚州立大学公开宣布了其突破性的技术——“创新金属加工-直接数字化沉积”（CIMP-3D）制造（EBDM）解决方案。这项技术将被用于生产美国第五代隐形战斗机F-35的多个零件。西亚基公司的这项技术主要是用于生产高品质金属零部件，材料包括钛、钽、铬镍铁合金及其他高价值金属。据西亚基称，很多钛合金产品制造商都对EBDM技术感兴趣。如今，EBDM技术已经参与了美国国防部的某些项目。

2.5 美国Solid Concepts

2014年，美国3D打印公司Solid Concepts宣布用金属粉末成功制造并测试了世界上第一支3D打印金属枪。其问世将改变人们对3D打印产品精确或强度不够的既有印象。 该全球首支3D打印金属枪的原型模板为经典的M1911式gun，根据互联网上的1911蓝图3D建模后用DMLS（直接金属激光烧结）技术加热金属粉末使其凝固成。DMLS技术已超过M1911抢支对零件的精度要求，再经过各种打磨以及调整枪膛等工艺，最后予以组装。该抢支有超过30个3D打印原件。 Solid Concepts公司副总裁肯特?费尔斯通表示，这种整体概念是为了证明3D打印这一技术的可靠性、准确性和实用性。目前该枪已通过连发50多发子弹的耐力射击测试，精准度不逊于常规武器。

2.6 战机维护

在维修方面，美国已开始部署基于3D打印技术的维修保障装备。2012年7月和2013年1月，美军部署了两个移动远征实验室，用于装备维修保障。此移动远征实验室是一个20英尺长的标准集装箱，可通过卡车或直升机运送至任何地点，利用3D打印及和计算机数字控制设备将原材料加工成所需零部件。可以在战场上快速生产所需的零部件，甚至快速设计和生产急需的装备，实现及时精准的保障。此外，美国陆军开发了一种轻质便宜的3D打印机，可以放到背包中，用于在战场中快速、便宜地制造替换零部件。

3 医疗领域

3D打印技术适用于个性化需求。在医疗行业，特别是修复性医学领域，个性化需求十分明显。用于治疗个体的产品，基本上都是定制化的，不存在标准的量化生产。而3D打印技术的引入，降低了定制化生产的成本。

其主要应用有：

①修复性医学中的人体移植器官制造，假牙、骨骼、肢体等；

②辅助治疗中使用的医疗装置，如齿形矫正器和助听器等；

③手术和其他治疗过程中使用的辅助装置。

2012年医疗领域的3D打印产能占据全球产值的16.4%。大部分应用都集中在假肢制造、牙齿矫正与修复等方面。利用3D打印能够完美地复制人体结构构造，贴合人体工学。现如今在欧洲，使用3D打印制造钛合金人体骨骼的成功案例就有3万多例。 根据美国器官共享网络（UNOS）统计数据，美国等待器官移植的患者人数在逐年增加。截至2014年4月，美国在等待器官移植手术的病患共计78000余人。而由于符合要求的器官捐献数量不足，以及术后可能产生的严重排斥性问题，传统医疗手段已然无法满足现在需要器官移植病患的要求。因此，今后3D打印在这一领域的应用将会非常可观。

3.1 德国EOS公司

德国EOS公司近期开发了两种可用于增材制造工艺的材料，分别是Ti64 ELI和316L不锈钢，增加了EOS公司可用于直接激光金属烧结的材料种类。EOS公司有关方面表示，使用Ti64 ELI材料和增材制造方法生产的零件化学成分和力学性能与ASTM F136相当，具有优异的耐腐蚀性能、生物相容性和高纯度，特别适合用增材制造方法生产医疗用移植物。EOS公司开发的应用于增材制造的316L不锈钢合金具有很好的耐腐蚀性能和延展性，制造的零件化学成分与ASTM F138相当。

3.2 德国EIT

德国EIT公司 （Emerging Implant Technologies）同3D Systems公司合作，采用3D打印技术制造出了钛制骨小梁结构，为一名具有退行性颈椎问题的患者实施了手术，是全球首例成功完成此类手术的案例。 通过选择性激光熔化（SLM）技术制造的钛金属植入物具有高达80%的孔隙率，可为骨细胞和血管结构的生长提供理想的支架。在实践中，植入物不容易移位或破坏周围骨结构的完整性。研究人员称，该方法还可防止出现融合过程的延误。EIT称，未来将以合理的成本提供个性化的系列植入物产品。由于脊柱外科的再手术率要比髋关节或膝关节更高，未来将探索改进这方面问题的方法。

3.3 比利时 Hasselt 大学

2012年，比利时一位83岁的老太太用上了3D打印机打造的钛下颚。这个技术是由比利时 Hasselt大学的 BIOMED 研究所发起，在外科医生的帮助下完成的。这个下颚是由钛粉一层层打印出来的，而计算机控制的激光可以确保粒子非常紧密地融合在一起。同时打造的时间非常短，只用了几小时，而以前旧有的技术需要几天时间。

3.4 美国MedShape

美国技术医疗机械公司MedShape采用3D打印医疗 级Ti6/4骨栓板在2015年初获得了美国食品药品管理局（FDA）的认证[4]。MedShape一直在研发FastForward手术系统，开发创新型医疗设备，解决临床需要。 对于患有拇外翻畸形的患者，传统的手术方法主要采用切割、钻孔、重新调整和熔断第一拓骨再接合到第二拓骨处。虽然此种手术能够缓解一些症状，但往往伴随着较长的恢复期和出现相关并发症，如骨不连、缺血性坏死等。现在FastForward骨栓板上的缝合带能够安全、牢固的缠住第二拓骨而避免过度和破坏性的钻孔。

3.5 英国BioMedtrix

2015年底，英国一只失去两条后腿的流浪猫名文森特（Vincent）在其收养家庭和美国爱荷华州立大学的帮助下，装上了由英国兽医矫形系统研制公司BioMedtrix设计的钛合金假肢。在全世界范围内，仅有 25只动物安装了类似的假肢。 据报道，这两条由BioMedtrix研制的钛合金假肢被植入文森特猫的大腿骨。安装假肢后，文森特走起路来几乎跟普通的猫没什么区别。这两条钛合金假肢的设计能使文森特猫的后腿骨长入假肢中从而支撑其全身的重量。 给文森特猫进行假肢安装手术的过程被称为是兽医学中罕见的“新兴领域”，文森特猫德案列或许能为回答该领域的一些问题提供帮助，使动物系统植入发挥更好的作用。

欧美地区3D打印技术在钛行业的应用主要是分布在航空航天、国防及医疗领域，其中航空航天领域占主要地位。目前，美国主要钛企业均积极发展增材制造技术。通过收购或参股具备增材制造技术的公司，美国钛企业将增材制造技术同自己原有的传统技术或关键技术相结合，进行了技术革新。美国钛企业对增材制造技术充满信心。增材制造技术公司认可钛材与该技术发展的契合，针对钛的特性在不同领域应用了增材制造技术。通过合作，同时扩大了该技术和钛材的应用范围。增材制造技术公司也对钛的未来充满信心。高端材料和先进技术的良性结合，必然使得行业、企业、技术得到迅速的发展和优良的成果。