金属增材制造：从“小众技术”到“行业刚需”

原文发表于《科技导报》2025 年第17 期 《 金属增材制造的前沿技术创新与应用 》

随着制造业创新和技术需求多元化，金属增材制造在航空航天、汽车、医疗和能源等领域的应用不断拓展。《科技导报》邀请上海交通大学材料科学与工程学院、上海交通大学内蒙古研究院副研究员董樊丽等撰文，文章回顾了2024年金属增材制造的最新研究进展与热点应用，分析了金属增材制造在技术、标准和市场的不断发展中展现出的广阔前景，尤其在智能制造、绿色制造和个性化定制领域具有巨大潜力，未来有望实现更广泛的应用。

当制造业向“复杂、定制、高效”转型，金属增材制造（金属3D打印）凭“逐层堆积”优势脱颖而出——相比传统切削工艺，它能实现复杂结构、轻量化与定制化生产，已深度渗透航空航天、医疗、汽车领域。2024年该技术在材料、工艺、智能化等方面突破显著，正克服成本与精度瓶颈，未来将成智能制造核心力量。

一、2024年四大技术突破：撑起行业竞争力

1.新材料：从“能用”到“好用”

2024年金属增材制造材料库扩容，关键突破集中在四方向：

高性能合金：澳大利亚昆士兰大学Zhang团队在Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr合金中加纳米钼颗粒，细化晶粒并提升强度与塑性，如图1；另有团队研发的Ti42Hf21Nb21V16耐火高熵合金，屈服强度提升32%、延展性增加2%，如图2。

图1 通过激光粉末床熔融制备Ti−5553的显微组织和机械性能

图2 制备耐火高熵合金的材料及实验设计

功能梯度材料：Dan团队通过铝的扩散作用形成异质多梯度结构，设计的α-TiAl合金屈服强度近760MPa，如图3；Zhu团队实现镍钛合金成分梯度，定制相变温度。

图3 非均质多梯度结构的演化过程

新型粉末与油墨：Lin团队开发液态金属乳化凝胶油墨，结合水凝胶与镓铟合金，实现高分辨率打印，如图4；Ibrahim团队用亚微米粉末提升SS316L力学性能，优于传统工艺。

图4 液态金属高内相乳液凝胶的制备工艺及形成原理

生物兼容材料：Hu团队用飞秒激光处理钛合金植入体，提升骨整合与抗腐蚀性；Huang团队在支架表面构建Cu-HHTP涂层，实现骨肿瘤消融与修复。

2.制造工艺：解决“浪费、变形、精度差”

2024年，制造工艺的优化让金属增材制造从“能造”迈向“造好”：

消除缺陷：中科院金属研究所Qu团队开发无孔洞增材技术，使Ti-6Al-4V钛合金抗疲劳强度提升106%，如图5，适用于航空航天。

图5 3D打印钛合金微孔分布及微观结构

控制应力与精度：Shang团队优化激光参数并引入柔性支架，实现无裂纹铝合金打印；Wang团队用液氮冷却降低铝铜合金孔隙率。

提升表面质量：Ning团队优化激光工艺，实现高质量纯铜打印；Tertuliano团队在粉末表面刻蚀纳米级凹槽，提升光吸收效率。

3.自动化与智能化：降本提效核心

AI与实时监测技术减少人工依赖：

AI预测：Hu团队用机器学习识别缺陷、预测疲劳寿命；Guirguis团队通过红外成像+AI优化工艺。

在线监测：Liu团队开发EWMA控制图用于监控激光沉积；Yu团队用机器视觉提升打印一致性。

数值模拟：Yang团队构建热力学模型减少误差；Proell团队优化钛合金微观结构预测效率。

4.软件升级：减少试错

多款软件落地提升效率：Yang团队的SAMPLE2D软件减少金属玻璃晶化；Macedo团队的VOLCO-X自动调整参数；Kjer团队开发开源系统，支持多材料打印并共享图纸。

二、市场与应用：三大行业成主力

1.市场增长：增速领跑

2024年市场扩张受三因素驱动：航空航天与医疗对定制部件需求激增、技术降低应用门槛、向汽车小批量生产等中低端市场渗透。行业预测其增速将持续领跑增材制造领域。

2.行业应用：突破性案例

2024年技术在多领域落地，代表性应用，如图6。

图6 金属增材制造在重点行业的新应用

航空航天：生产发动机复杂部件，减重20%-30%且耐高温，已用于多款机型。

汽车：为新能源汽车定制电机、底盘部件，缩短研发周期30%，部分车企试产个性化配件。

医疗：定制假体与植入体（如钛合金髋关节），贴合度更高。预测2034年全球3D打印医疗设备市场达165亿美元，年均增长率12%。

三、政策与标准：保驾护航

2024年国内外政策推动规范化：

国内：发改委将金属增材制造相关装备、材料纳入《产业结构调整指导目录》；工信部推动七大行业应用该技术；中华医学会发布骨科应用指南。

国际：美国在《2024制造业战略计划》中强调其地位，拟扩大军事设备应用。

四、挑战与未来：突破瓶颈

1.核心挑战

成本高（设备与材料价格昂贵）、精度稳定性待提升、标准化不足、环保与回收技术待突破。

2.未来方向

材料创新：研发耐高温合金，关注可回收性；

自动化：AI自适应控制实现无人生产；

规模化：结合传统工艺降本，推动批量生产；

数字化：用数字孪生优化全生命周期管理。

结语

2024年技术、市场与政策推动金属增材制造进入规模化应用阶段。未来随成本下降、智能化提升，它将渗透更多领域，推动制造业向智能、绿色、个性转型。对企业而言，抓住技术红利可抢占升级先机；对普通人来说，3D打印的医疗植入体、汽车配件等或将走进日常生活。

本文作者：董樊丽、张兵、杨剑英、李薇薇

作者简介：董樊丽，上海交通大学材料科学与工程学院、上海交通大学内蒙古研究院，副研究员，研究方向为新材料战略研究。

文章来 源 ： 董樊丽, 张兵, 杨剑英, 等. 金属增材制造的前沿技术创新与应用[J]. 科技导报, 2025, 43(17): 85−99 .

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