張曉冬，劉金平，吳闖，馬明豪，廖靜瑜，陳鵬

核工業(yè)工程研究設(shè)計有限公司 北京 102401

1 序言

3D打印技術(shù)也稱增材制造技術(shù)（Additive Manufacturing，AM），在過去的幾十年中，3D打印已從快速生產(chǎn)功能原型進化到制造一些無法通過其他方式加工的零部件的技術(shù)手段，與其他生產(chǎn)制造方式相比，3D打印更便捷，更經(jīng)濟。3D打印從數(shù)字繪圖開始，通過金屬逐層沉積形成三維組件。常見的增材制造方式主要包括粉末床融合技術(shù)（PBF）及直接能量沉積技術(shù)（DED），不銹鋼、鋁、鈦和鎳合金的打印就是依靠此技術(shù)實現(xiàn)的[1-4]。3D打印所需原料通常由激光束、電子束或電弧熔化為金屬粉末或金屬絲[1，2]。3D打印也可以通過改變不同沉積層中的金屬成分來生產(chǎn)由多種合金組成的金屬零部件[1]。

目前，3D金屬打印已廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療保健、能源、汽車、船舶以及其他行業(yè)[5-8]，其在各行業(yè)的分布情況如圖1所示。3D金屬打印技術(shù)能夠使用同一設(shè)備，在較短的交貨期限內(nèi)，生產(chǎn)制造出不同的產(chǎn)品[2]，并且能夠按需進行定制生產(chǎn)，比如在醫(yī)療保健領(lǐng)域患者專用的醫(yī)療植入物以及用于安全運行核電站的金屬葉輪[2]。3D金屬打印技術(shù)可將多個組件整合為一個組件，在減少零件數(shù)量方面具有良好的投資回報率，并能夠維持一些供應(yīng)鏈不再存在的傳統(tǒng)產(chǎn)品[5，9]。

圖1 3D金屬打印在各行業(yè)中的應(yīng)用及分布

由于3D金屬打印在各行業(yè)中具有良好的可行性，能夠打印結(jié)構(gòu)特殊的組件，以及具有克服當(dāng)前制造工藝缺陷的潛力，因此該技術(shù)已成為目前增材制造領(lǐng)域增長最快的行業(yè)[10]。近年來，3D金屬打印設(shè)備銷量的快速增長情況[10]，也證明了用戶數(shù)量的增加（見圖2）。統(tǒng)計2019年前五年授予的專利可用數(shù)據(jù)中也可以明顯看出，3D金屬打印行業(yè)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)于2019年2月14日從谷歌專利處收集，如圖3所示。全球3D金屬打印專利總數(shù)與其他廣泛使用的制造工藝技術(shù)專利數(shù)量相當(dāng)，表明3D打印在可預(yù)見的未來將繼續(xù)增長。

圖2 3D金屬打印設(shè)備銷量

圖3 不同制造工藝的專利數(shù)量

像所有新興技術(shù)一樣，3D金屬打印也面臨著許多挑戰(zhàn)。與其他相對更成熟和更常見的制造方法相比，3D打印產(chǎn)品目前的規(guī)模較小[11]。該技術(shù)需要進一步提高其生產(chǎn)率、質(zhì)量控制以及可重復(fù)性[4]。3D打印技術(shù)在學(xué)術(shù)活動以及工業(yè)活動中所解決的基本原理問題或技術(shù)問題中的相關(guān)成果表明，科學(xué)論文主要來自于大學(xué)和國家實驗室，而大多數(shù)專利歸公司所有。論文主要描述其基本原理，基本上沒有經(jīng)濟和技術(shù)方面的分析，對于實際應(yīng)用來說往往過于抽象，而在工業(yè)上的創(chuàng)新大多數(shù)選擇不發(fā)表，以此來保障自身利益。3D打印行業(yè)的需求與正在進行的研究以及發(fā)展之間的鴻溝亟待解決，因此更好地理解對待科學(xué)、技術(shù)和經(jīng)濟問題，便于找到潛在的解決方案。

2 科學(xué)挑戰(zhàn)

科學(xué)上的挑戰(zhàn)主要來自于3D金屬打印中存在的不同的加工條件和復(fù)雜的熱循環(huán)，以及它們對微觀結(jié)構(gòu)的特征和缺陷的作用，是否會影響到部件的屬性及性能尚未可知。

2.1 工藝-微觀結(jié)構(gòu)-屬性-性能之間的關(guān)系

由于3D打印工藝方法、加工參數(shù)較多，且金屬組件的結(jié)構(gòu)、屬性以及性能具有多樣性，因此導(dǎo)致目前正在研究的商業(yè)合金的加工與微觀結(jié)構(gòu)、屬性、性能之間的關(guān)系進展緩慢。需要指出的是，經(jīng)過數(shù)十年的持續(xù)研究和開發(fā)，才為主要合金的焊接創(chuàng)建了工藝-微觀結(jié)構(gòu)-性能之間的關(guān)系知識庫[12]。為了滿足增材制造行業(yè)的需求，在未來幾十年仍需對其進行類似的深入研究。

2.2 微觀結(jié)構(gòu)的控制

與鑄造或鍛造材料相比，較快的冷卻速度和空間變化的溫度梯度使3D打印材料的微觀結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜[1]。打印的金屬制品通常顯示出高位錯密度、元素偏析、精細的凝固組織和細長的晶?，F(xiàn)象[1]。理解和控制微觀結(jié)構(gòu)打印的演變過程便于定制組件的微觀結(jié)構(gòu)[1，2]，以實現(xiàn)傳統(tǒng)工藝無法實現(xiàn)的性能組合，打印出既具有高強度又具有良好延展性的金屬制品[13]。

2.3 缺陷演化及其對性能的影響

打印部件中的缺陷源于原子到宏觀尺度[1，14]，并在很大程度上影響著部件的力學(xué)性能[14]。目前，已知的未熔合缺陷會對拉伸性能產(chǎn)生不利影響，高殘余應(yīng)力可能導(dǎo)致部件的翹曲、屈曲和分層現(xiàn)象[9]，并對疲勞性能不利，表面不規(guī)則性可能是導(dǎo)致部件應(yīng)力集中的原因，并且可能會使其過早失效。然而，在復(fù)雜的金屬打印熱循環(huán)過程中，缺陷的形核和增長機制尚未被完全理解，仍需深入研究，不同缺陷在晶體塑性、斷裂和疲勞中所起的作用還有待充分探討[1]。此外，由于微觀結(jié)構(gòu)、應(yīng)力和溫度的綜合影響，有必要提高對各種熱裂紋現(xiàn)象的深入研究。

2.4 凝固組織的特征

對于給定的合金，凝固形態(tài)和所產(chǎn)生的力學(xué)性能會受到局部溫度梯度G和凝固生長速率R的比率的影響，這取決于打印技術(shù)和工藝參數(shù)的變化。有研究表明，不同的打印工藝制造出的不銹鋼凝固組織具有驚人的差異。凝固過程中的冷卻速率取決于合金、增材制造技術(shù)和工藝條件，進而控制凝固組織的特征。例如熱輸入量，隨著熱量的輸入，冷卻速率可呈現(xiàn)5個數(shù)量級變化[11]。G和R的時空變化和重復(fù)的熱循環(huán)的多樣性為理解打印金屬的凝固組織的發(fā)展提出了不尋常的挑戰(zhàn)。

2.5 晶粒結(jié)構(gòu)、拓撲和質(zhì)地的演變

通常在打印部件中形成的柱狀晶粒會顯著降低其力學(xué)性能[1，15]。目前，對增材制造過程中晶粒結(jié)構(gòu)和拓撲結(jié)構(gòu)演變的基本了解處于初始階段，對使用晶粒細化劑[15]以及控制熱流方向[1]的柱狀晶粒分解機理的理解也才剛剛開始。在不銹鋼和鋁合金的粉末床融合-激光（PBF-L）制造中已觀察到微觀結(jié)構(gòu)組織的各向異性的性質(zhì)[16]。但是，這種各向異性對產(chǎn)品性能的影響尚不太明確，因此在這一領(lǐng)域需要投入更多的工作，尤其在復(fù)雜的載荷下，微觀結(jié)構(gòu)的各向異性可能會對產(chǎn)品性能帶來重大風(fēng)險[1]。

3 技術(shù)挑戰(zhàn)

除了前面所述的科學(xué)問題之外，金屬增材制造行業(yè)在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用也面臨著嚴峻的技術(shù)挑戰(zhàn)。

3.1 鑒定和認證

目前，零件鑒定主要通過試錯法來實現(xiàn)，這種暴力的方法阻礙了零件快速準(zhǔn)確的鑒定。構(gòu)建、分段、測試和表征組件的過程是費時、費力且成本昂貴的。與成熟的制造技術(shù)（如鑄造、機加工和焊接）相比，金屬打印主要受限于高成本和緩慢的鑒定過程，僅對于利基市場而言，高成本和緩慢鑒定過程的挑戰(zhàn)并不是其主要考慮因素[11]。

3.2 幾何限制和復(fù)雜性

每臺打印設(shè)備的產(chǎn)品尺寸，幾何形狀和原料的局限性都會影響組件的構(gòu)建。粉末床融合工藝（PBF）的產(chǎn)品尺寸受粉末床尺寸的限制，而高沉積率的工藝則沒有此項限制，例如基于絲狀的氣體保護金屬極電弧或等離子弧的直接能量沉積工藝（DED），并且該工藝能夠形成大型結(jié)構(gòu)[5，9]。這種基于絲狀的打印方法具有良好的經(jīng)濟優(yōu)勢，投資成本低廉，經(jīng)認證的可焊焊絲原料有多個供應(yīng)商，每單位體積的焊絲成本相比粉末較低。但是，該工藝在特征分辨率和表面粗糙度方面存在局限性，可能需要付出大量努力才能得到進一步的改進[2]。此外，用于打印的復(fù)雜幾何形狀的零件設(shè)計可能需要設(shè)計相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)，而支撐結(jié)構(gòu)則包括了額外的材料使用和后期的加工處理[17]。復(fù)雜的幾何形狀也對打印產(chǎn)品的無損評估提出了獨特的挑戰(zhàn)，尤其是具有內(nèi)部特征和柵格結(jié)構(gòu)的幾何形狀復(fù)雜零件[9]。因此，金屬打印的零件設(shè)計要充分考慮其幾何形狀、產(chǎn)品屬性、可制造性以及制造成本[17]。

3.3 制造規(guī)模擴大

從小型零件到大型、復(fù)雜的組件，擴大制造的規(guī)模是一項艱巨的任務(wù)[4]，因為它受相關(guān)機器零件尺寸和幾何形狀的限制。此外，相關(guān)尺寸的工藝參數(shù)調(diào)整、掃描方法及支撐結(jié)構(gòu)取決于專用的打印設(shè)備和零件設(shè)計[9]。規(guī)模擴大限制了制造產(chǎn)量、批次的加工速度與生產(chǎn)率。3D打印的熱機械復(fù)雜性面臨形變、殘余應(yīng)力和開裂的風(fēng)險，由于在常用的機械測試中使用簡單試樣，因此這些風(fēng)險并不總是顯而易見的。

3.4 工藝設(shè)計和打印順序

目前，關(guān)于實體模型在空間的構(gòu)建，支撐結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建，特定組件過程變量的選擇以及掃描模式的取向規(guī)范都不基于任何嚴格的原則[9]。部件的幾何形狀往往需要不斷優(yōu)化，便于減少支撐結(jié)構(gòu)額外材料的使用[18]。盡管人工智能技術(shù)正在興起[19]，但大多數(shù)情況下，幾何優(yōu)化仍需通過反復(fù)試驗來實現(xiàn)。不同的供應(yīng)商可能使用不同的預(yù)編程方法、掃描模式、構(gòu)建次序、軟件系統(tǒng)和工藝方法來支持用戶無法控制的加工過程和產(chǎn)品設(shè)計[2]。零件屬性可以在打印期間就地檢測，甚至可以檢測是否偏離其設(shè)計規(guī)范[2]。不斷改善打印加工過程的監(jiān)測和控制，以確保加工產(chǎn)品的精度[2，9]。

3.5 后期處理

拆除支撐結(jié)構(gòu)和基板，進行表面清潔、熱等靜壓、機加工、涂層和熱處理等后期處理均增加了制造成本[20]。后期處理的需求取決于增材制造工藝、合金系統(tǒng)以及零件設(shè)計[2，9]。如選用直接能量沉積（DED）-氣體保護金屬極電?。℅MA）技術(shù)生產(chǎn)的零件通常需要后期機加工處理，來降低表面粗糙度值和尺寸公差[1]。與鑄造或鍛造產(chǎn)品相比，由于打印材料對熱和化學(xué)后處理的反應(yīng)不同，導(dǎo)致打印金屬部件后期處理也具有明顯差異[2]。目前，對打印金屬部件焊接和連接的研究仍處于初級階段。

3.6 安全和健康風(fēng)險

處理粉末原料和操作打印設(shè)備時都應(yīng)特別注意。粉末原料是火災(zāi)或爆炸的潛在來源[21]。最危險的物質(zhì)之一是凝結(jié)物，如過濾器中高表面積的細小顆粒，它是液態(tài)金屬的蒸發(fā)和凝結(jié)所致，因此更換過濾器就成為打印機操作中最危險的部分[21]。使用高功率密度的熱源而形成的飛濺物也有助于在腔室中沉積細金屬顆粒[1]。激光、電子束或電弧之類的熱源具有高能量密度，因此危險性較大。在進行打印制造過程中，操作人員應(yīng)使用適當(dāng)?shù)淖o目鏡以防激光輻射，同時需采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施來處理、加工和回收大量的AM細粉。超細合金粉末原料會嚴重影響眼睛和呼吸系統(tǒng)，并可能引起哮喘等疾病[22]。對于使用焊絲作為原料的直接能量沉積工藝（DED），其健康危害與焊接領(lǐng)域中已知的危害相似。尤其是看似無害的合金，如不銹鋼，其可能含有鎳和鉻成分，其中鎳和鉻都是已知的致癌物[23]。眾所周知，焊接煙霧和顆粒物也會引起免疫系統(tǒng)功能障礙，并引起焊工上下呼吸道感染，導(dǎo)致其安全和健康受到威脅。

4 經(jīng)濟挑戰(zhàn)

除所述科學(xué)和技術(shù)問題外，當(dāng)前和未來增材制造行業(yè)所面臨的挑戰(zhàn)還包括經(jīng)濟挑戰(zhàn)。

4.1 成本競爭力

受產(chǎn)品數(shù)量和復(fù)雜性影響的3D金屬打印行業(yè)，使其制造成本評估優(yōu)于傳統(tǒng)制造方法[20]。在傳統(tǒng)制造中，如鑄造或機加工，其成本主要由原材料、設(shè)備、工具、零件復(fù)雜性以及訂單數(shù)量產(chǎn)生[20，24]。如果只制造少量零件，則由于設(shè)備和設(shè)定的初期投資導(dǎo)致單位成本較高，但隨著產(chǎn)品數(shù)量的增加，在產(chǎn)品之間分配的高額的設(shè)定成本將會降低[24，25]。由于增材制造工藝不需要為新零件支付任何額外的設(shè)定和工具成本，因此每件零件的成本不會隨產(chǎn)品數(shù)量的變化而發(fā)生顯著變化[25]。同時，3D金屬打印技術(shù)的經(jīng)濟可行性并不取決于最小訂單量，打印零件的成本主要由金屬打印設(shè)備、原材料、制造和間接成本產(chǎn)生[24，25]。根據(jù)文獻數(shù)據(jù)[24，26-28]，比較了粉末床融合-激光（PBF-L）技術(shù)制造的各種組件的材料和制造成本，結(jié)果表明，對于多種工程合金而言，與機器耗時以及后處理相比，用于3D金屬打印的原料并不是成本的主要來源。

增材制造技術(shù)在很多情況下不需要復(fù)雜的工具就可以打印復(fù)雜零件，而傳統(tǒng)制造通常需要組裝較小的零件。但是，在某些情況下，零件的復(fù)雜性會增加打印材料以及制造成本，如某些零件由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，需要構(gòu)建相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)，且支撐結(jié)構(gòu)通常采用懸垂設(shè)計，因此在打印制造完成后需要通過錘擊和研磨表面切屑將其支撐結(jié)構(gòu)除去。而支撐結(jié)構(gòu)所需的額外材料和后處理所需的時間都增加了制造成本。由于幾何形狀復(fù)雜，在鑄造或鍛造不可行的情況下，采用3D金屬打印技術(shù)，即使成本較高也是合理的[29]，但是在某些情況下，提高系統(tǒng)性能，減少零件數(shù)量或產(chǎn)品重量，也可能抵消產(chǎn)品成本[2]。

4.2 3D金屬打印市場份額低

3D打印產(chǎn)品的市場價值升至73億美元，但僅占全球制造業(yè)經(jīng)濟的0.06%[10]。設(shè)施升級所需的高昂的資金和運營成本、原料成本、安全實踐及培訓(xùn)成本，總體超出了傳統(tǒng)制造中的標(biāo)準(zhǔn)水平，這也是通常限制中小型企業(yè)采用3D打印技術(shù)的關(guān)鍵因素[20]。3D金屬打印市場滲透和增長的當(dāng)前狀態(tài)是隨著技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的，這也是其發(fā)展優(yōu)勢。

4.3 標(biāo)準(zhǔn)的需要

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）、美國試驗材料學(xué)會（ASTM）和美國汽車工程師學(xué)會（SAE）等許多知名組織正在制訂合格金屬打印部件的標(biāo)準(zhǔn)[11]。遵守標(biāo)準(zhǔn)的責(zé)任取決于不同的組織，具體取決于特定的工業(yè)部門。在美國，聯(lián)邦航空管理局負責(zé)航空航天工業(yè)的認證，而食品藥品管理局則監(jiān)管生物醫(yī)學(xué)行業(yè)。當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)的制訂發(fā)展緩慢，主要是面臨著在大型多參數(shù)操作窗口中，生產(chǎn)無缺陷、結(jié)構(gòu)合理且可重復(fù)零件的挑戰(zhàn)。打印機制造商、原料供應(yīng)商及用戶將在適應(yīng)和使用此標(biāo)準(zhǔn)方面發(fā)揮重要作用[2，3]。

4.4 原料兼容性

目前，只有少數(shù)幾種商業(yè)合金能可靠地用于3D打印制造行業(yè)[15]，許多其他潛在的用于打印的合金尚未經(jīng)過測試或尚不能作為打印原料而使用[11]，同時金屬打印還需要針對特定的打印工藝專門研發(fā)新的合金材料[17]。由于缺乏可用的打印原料，金屬打印制造也具有成分等級，打印貴金屬和熔點很高的金屬組件也具有一定的挑戰(zhàn)性。因此，將新材料用于3D打印通常需要強大的業(yè)務(wù)案例來支付對產(chǎn)品進行測試和鑒定的費用[20]。

4.5 知識產(chǎn)權(quán)和網(wǎng)絡(luò)安全

隨著基礎(chǔ)專利的到期，知識產(chǎn)權(quán)格局迅速地發(fā)生變化，這使得更多的公司進入打印市場。但是，打印制造方法及其子系統(tǒng)的后續(xù)專利仍可以使設(shè)備具有獨特性，并且由實體模型定義的組件可能與另一個系統(tǒng)上制造的組件不匹配。此外，數(shù)字設(shè)計和生產(chǎn)工具的快速發(fā)展對數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)安全也帶來了新的風(fēng)險[29]。

4.6 缺乏經(jīng)驗和培訓(xùn)

金屬打印行業(yè)的新興性質(zhì)極大地受益于先進的計算機控制技術(shù)，該技術(shù)將焊接工程師、操作員和冶金學(xué)家在該過程中的傳統(tǒng)角色所占比重降至最低。對金屬打印行業(yè)來說，交鑰匙機器在制造領(lǐng)域吸引了全新的勞動力來源。但是，這種趨勢的不利之處在于，許多新人才沒有受過焊接或冶金學(xué)的基礎(chǔ)教育，這些知識的缺乏會導(dǎo)致反復(fù)試驗的開發(fā)時間顯著增加，并且制造組件的可靠性降低。此外，由于缺乏經(jīng)驗豐富的金屬打印領(lǐng)域的技術(shù)人員，相關(guān)的教育和培訓(xùn)通常也會受到限制，最終導(dǎo)致無法提供實踐經(jīng)驗以及具有最優(yōu)性能的零件設(shè)計的相關(guān)培訓(xùn)。

5 潛在的解決方案

目前，對于金屬打印行業(yè)產(chǎn)生的科學(xué)、技術(shù)以及經(jīng)濟問題，仍沒有直接和快速的解決方案，但是有幾種效果比較好的解決措施，見表1。

表1 對于來自科學(xué)、技術(shù)以及經(jīng)濟方面挑戰(zhàn)的解決措施

5.1 創(chuàng)建可打印性數(shù)據(jù)庫

在焊接實踐中，廣泛使用的焊接性數(shù)據(jù)庫有助于預(yù)測主要合金和焊接工藝的適當(dāng)組合，并指出在正常條件下是否建議進行焊接，焊接難度或可行性。類似地，可打印性能評估特定的打印工藝將原材料成功轉(zhuǎn)化為組件的能力，這取決于合金材料性能和工藝條件[1，14]?？纱蛴⌒詳?shù)據(jù)庫提供了打印產(chǎn)品質(zhì)量的相對結(jié)果，它考慮了對常見打印缺陷的敏感性，如未熔合、成分改變、殘余應(yīng)力和變形，還考慮了其冶金和力學(xué)性能[14]。目前，市場上還沒有普遍適用的可打印性數(shù)據(jù)庫[1，14]，開發(fā)這樣的數(shù)據(jù)庫將有助于選擇合適的打印工藝-合金原料組合，在某些情況下，無需進行反復(fù)的試驗測試，就可以減少甚至避免金屬打印中的常見缺陷。

5.2 開發(fā)和利用機械模型

由于打印組件的微觀結(jié)構(gòu)、凝固組織、晶粒組織、拓撲特征以及缺陷，會隨合金成分、印刷技術(shù)和工藝參數(shù)的不同而有很大差異，因此在打印前使用可驗證的機械模型對這些特征進行預(yù)測有助于控制它們。力學(xué)模型可以計算重要參數(shù)，例如溫度場、構(gòu)建幾何參數(shù)、冷卻速率、殘余應(yīng)力和變形。這些模型可以制作雙向的，以便于計算實現(xiàn)產(chǎn)品所需的冶金或機械特性對應(yīng)的過程變量。機械模型可以計算某種微觀結(jié)構(gòu)以獲得特定的冷卻速率所需的熱輸入量。通過計算機械模型，從而改善打印工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時也需要先進的計算算法、代碼以及高性能計算領(lǐng)域的創(chuàng)新。

5.3 實現(xiàn)數(shù)字共享

數(shù)字共享包括打印過程中的機械模型、控制模型和統(tǒng)計模型，以及機器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)，它們可以控制微觀結(jié)構(gòu)及其性能，并加快從設(shè)計到制造的過程[11，30]。在3D打印的數(shù)字共享模型中，傳感和控制模型可以與多個傳感器連接[11]。一個經(jīng)過良好測試的機械模型可以提供重要的冶金變量[1]。統(tǒng)計模型可以從機械模型和控制模型中學(xué)習(xí)先前的數(shù)據(jù)，根據(jù)其結(jié)果將錯誤最小化。雖然現(xiàn)在已經(jīng)廣泛接受了數(shù)字共享方法的實用性，但是金屬打印數(shù)字共享的構(gòu)建和測試才剛剛開始。

5.4 利用新興的數(shù)字化工具

金屬打印技術(shù)融合了材料、設(shè)備、計算以及數(shù)據(jù)的交叉運作[1]。先進的數(shù)字化工具可以根據(jù)經(jīng)驗來增強人類智慧，以提供過程變量和產(chǎn)品屬性的優(yōu)化[31]。當(dāng)與創(chuàng)新的傳感器連接時，數(shù)字工具可以通過網(wǎng)絡(luò)-物理系統(tǒng)在沒有人工干預(yù)的情況下檢測出缺陷并在打印過程中采取糾正措施。通過減少缺陷，持續(xù)的質(zhì)量改進以及基于信息技術(shù)的制造來改善打印組件的工藝和質(zhì)量鑒定，更好地集成云計算、網(wǎng)絡(luò)-物理系統(tǒng)、人工智能以及物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)。

5.5 制訂標(biāo)準(zhǔn)化政策

制訂新的政策，有助于實現(xiàn)產(chǎn)品和工藝的標(biāo)準(zhǔn)化，以及員工隊伍的培訓(xùn)與知識的共享。未公開參數(shù)集的知識產(chǎn)權(quán)保護商業(yè)模型可能會被打印行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化需求和原始設(shè)備制造商（OEM）的供應(yīng)商標(biāo)準(zhǔn)化需求所取代。新的政策必須解決這一變化，同時將應(yīng)用程序從實驗室規(guī)模擴展到實際應(yīng)用環(huán)境中。此外，除了制訂為員工進行認證和培訓(xùn)所需的政策外，能否成功解決金屬打印中現(xiàn)存的問題，還取決于原始設(shè)備制造商的供應(yīng)商以及用戶對這些政策的適應(yīng)程度。

5.6 競爭前加強研究合作

各大學(xué)、國家實驗室以及公司之間的研究合作可以開發(fā)工藝-微結(jié)構(gòu)-性能之間的關(guān)系，從而擴展更多合金材料的3D打印應(yīng)用。為了更好地探索制造出工業(yè)中應(yīng)用的真實部件，可優(yōu)先選擇在大學(xué)和國家實驗室進行簡單小試樣的測試，從而加速和擴大3D打印行業(yè)的發(fā)展。在了解基本知識的基礎(chǔ)上實現(xiàn)信息共享，可有效緩解嚴格的知識產(chǎn)權(quán)壁壘，避免造成對商業(yè)利潤的威脅[29]。同時，不同組織之間的合作也會促進知識共享，有助于為3D打印培養(yǎng)大量優(yōu)秀的理論知識和實踐經(jīng)驗豐富的技術(shù)人員[32]。

6 結(jié)束語

針對金屬打印行業(yè)面臨的科學(xué)、技術(shù)和經(jīng)濟挑戰(zhàn)，采取相關(guān)的解決方案將進一步擴大3D打印在不同領(lǐng)域的優(yōu)勢。冶金科學(xué)和其他技術(shù)的成熟、計算機硬件和軟件的迅猛發(fā)展以及高科技部門的創(chuàng)造力的協(xié)同作用是解決這些問題的關(guān)鍵因素。