增材制造（AM）是对3D打印和相关技术的统称。其中，扫描技术用来创建可用于3D打印的物理对象的数字化副本。数字设计文件或计算机辅助设计（CAD）文件按照特定标准格式生成，之后可再利用各种软件包对其修改。同时，在正式打印前还可用软件包将设计文件分切割成一系列的层面，以备做好打印准备工作。3D打印技术的生产的部件实际囊括了多种加工技术，比如塑料和金属的制造技术以及生物组织、化学品和食品等的加工制造技术。上述加工技术大部分与核出口管制无关，唯一引人注意的是金属和塑料的加工制造技术。

其中，选择性激光烧结（SLS）和选择性激光熔化（SLM）金属打印技术灵活性最高。这些技术中，金属粉末被分层打印，然后高功率计算机数控（CNC）高功率多轴激光器将每层的颗粒熔合在一起，同时将每个新层与前一层进行熔合。在选择性激光烧结中，只有位于边界的粉末熔化并熔合在一起；而在选择性激光熔化中，粉末完全熔化，因而可以使用更致密的材料。

上述材料层通过两种不同方法形成。第一种方法中，每一层都是一层粉末“床”，并且激光扫描每一层后，平台下降，辊轴放置新粉末床可以作为支撑结构的新粉末床。第二种方法中，以建筑物的方式从地面“建造”该结构。

多种金属材料可用于3D打印，包括：不锈钢、钛、因科镍可耐尔合金（一种镍铬合金）和马氏体时效钢。其中，马氏体时效钢是与核燃料循环最相关的材料，因为它具有用作离心机中铀浓缩部件所需的性能，比如制造转子、挡板和端盖。其中，转子的生产难度最高，并且对材料性能要求最为严苛。目前，仅高强度铝、马氏体时效钢和碳纤维为出口管制物项，因为该三种材料的高强度性能可以用于离心机转子制造。

马氏体钢的3D打印

打印材料，即马氏体时效钢粉末，具有与传统马氏体时效钢相同的化学成分。其规格相当于美国的18% Ni(300)、欧洲的1.2709和德国的X3NiCoMoTi 18-9-5，这些都是进行传统制造时的典型受管控等级。对于传统制造和打印的钢材，在后期处理阶段中，材料必须在高温下保持两到三小时；同时，金属需要经历从更脆且不太硬的奥氏体相到强度更高的马氏体相的转变。

除却后期处理步骤外，还有许多原因造成3D打印马氏体时效钢的机械性能与传统制造的钢材不同。随着对3D打印工艺理解的不断增进，现已可以制造具有与传统制造材料特性相当特性的高质量马氏体时效钢。然而，3D打印马氏体时效钢性能方面仍存在一些关键问题。3D打印过程包括使用高功率激光熔化或部分熔化粉末，这又涉及到高热梯度，意味着来自激光的热量将迅速消散，从而在材料中产生残余应力。

然而，对于3D打印材料而言，最重要的宏观机械性能参数是相对密度。相对密度越接近100%，打印过程中形成的孔越少，从而提供了最佳导热性、延展性、屈服强度和断裂韧性。这取决于工艺参数：粉末进料速率、激光扫描速度、激光功率、扫描间隔、光束直径以及扫描顺序、扫描气氛环境和在再熔覆熔化完成表面选择的参数。高热梯度也会对此产生影响。初始粉末质量（尺寸分布、元素组成和取决于温度的粉末性质）也对材料性质具有显著影响。另一个突出的问题是3D打印马氏体时效钢在时效硬化后由马氏体再恢复到奥氏体相。16这会破坏材料的强度，在传统制造的马氏体时效钢中不会出现这种情况。当前3D打印技术打印典型离心机转子所花费的时间也是重要的考量点。典型金属打印机的打印速率约为2-20立方毫米/秒。按一般离心机体积估计，以上述打印速率制造离心机转子大约花费1.5至15天。忽略机器操作时间和维护等，10台打印机并行工作两周至半年可以生产出100个离心机转子，由于产品的质量要求，所做估计可能较为保守。目前，研究人员正在努力设计能够显著减少打印时间的多激光打印机。

如今，我们正在逐步克服3D打印马氏体时效钢性能与传统制造的马氏体时效钢不一致的挑战。不仅如此，我们正在通过理解3D打印工艺和过程，优化现有工艺参数，而非引入新硬件的方式解决上述问题。

可以想象，当前3D打印技术至少可以制造核燃料循环中的部分敏感、被管控的关键部件。然而，要实现超先进材料的生产，还需更加透彻地理解激光-粉末的相互作用，这与软件模拟技术及增强操作工艺熟练程度有关。

原文链接：

http://www.str.ulg.ac.be/wp-content/uploads/2016/01/2_3D_Printing_A_Challenge_to_Nuclear_Export_Controls.pdf