3D打印是20世紀80年代出現的一項先進制造技術，并在近十多年來得到越來越多國家和產業界的重視。但是，3D打印技術卻并未如很多人期望的那樣，在短期內迅速發展起來，替代現有制造技術。導致這種局面的原因，除了該技術本身的成熟度需要不斷改進等因素外，另一個重要原因在于，3D打印需要的材料制備與現有材料有很大的不同。傳統制造使用的原材料已經有成千上萬種，而目前能夠被用于3D打印的材料品種少，質量規格不齊全，嚴重地制約了3D打印行業的發展。20世紀90年代，國外開始出現金屬3D打印技術，并開發出金屬3D打印機和金屬3D打印材料，這一技術的出現，突破了3D打印在金屬應用領域的限制，使得3D打印進入了一個新的里程碑。近十年來，我國金屬3D打印技術也獲得了突破性進展，研發出具有自主知識產權的金屬3D打印機和金屬材料。

今天我們就一起認識一下金屬3D打印。

什么是金屬3D打印？

金屬3D打印是屬于數字熱加工的一項技術，目前制備金屬的3D打印技術主要有：選區激光熔化/燒結（SLM/SLS)、電子束選區熔化（EBSM)、激光近凈成形（LENS)等。與傳統工藝相比，金屬3D打印有直接成型，無需模具，可以實現個性化設計并制作復雜結構，高效、低消耗、低成本等優點。但是因為其是數字熱加工，變形是無法消除的，變形量需要從工藝和經驗上去控制，最后還要經過數控機床等技術的后期加工處理。

金屬3D打印材料的應用

金屬3D打印材料的應用領域相當廣泛，例如，石化工程應用、航空航天、汽車制造、注塑模具、輕金屬合金鑄造、食品加工、醫療、造紙、電力工業、珠寶、時裝等。

但是，因為金屬3D打印材料本身的材料屬性，其都有特定的應用領域范圍，因此，金屬3D打印材料選擇的過程是一個權衡多個因素的過程。而且，3D打印金屬不能僅僅憑借金屬3D打印機的參數來衡定，每種金屬材料都有適合自身特性的極限點，包括應用、功能、穩定性、耐久性、美觀性、經濟性都是設計師要考慮的因素。

金屬3D打印材料的主要種類

現今，國內外金屬3D打印機采用的金屬粉末一般有：工具鋼、馬氏體鋼、不銹鋼、純鈦及鈦合金、鋁合金、鎳基合金、銅基合金、鈷鉻合金等。

1.工具鋼和馬氏體鋼

以工具鋼和馬氏體鋼為例，工具鋼的適用性來源于其優異的硬度、耐磨性和抗形變能力，以及在高溫下保持切削刃的能力。模具H13熱作工具鋼就是其中一種，能夠承受不確定時間的工藝條件；馬氏體鋼，以馬氏體300為例，又稱“馬氏體時效”鋼，在時效過程中的高強度、韌性和尺寸穩定性都是眾所周知的。他們與其他鋼不同，因為他們是不含碳的，屬于金屬間化合物，通過豐富的鎳、鈷和鉬的冶金反應硬化。由于高硬度和耐磨性，馬氏體300才適用于許多模具的應用，例如，注塑模具、輕金屬合金鑄造、沖壓和擠壓等，同時，其也廣泛應用于航空航天、高強度機身部件和賽車零部件。

? ?2.不銹鋼

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不銹鋼與碳鋼不同，目前的鉻含量不同，10.5%鉻含量最低的鋼合金，不銹鋼不容易生銹腐蝕。目前，應用于金屬3D打印的不銹鋼主要有三種：奧氏體不銹鋼316L、馬氏體不銹鋼15-5PH、馬氏體不銹鋼17-4PH。

奧氏體不銹鋼316L，具有高強度和耐腐蝕性，可在很寬的溫度范圍下降到低溫，可應用于航空航天、石化等多種工程應用，也可以用于食品加工和醫療等領域。

馬氏體不銹鋼15-5PH，又稱馬氏體時效（沉淀硬化）不銹鋼，具有很高的強度、良好的韌性、耐腐蝕性，而且可以進一步的硬化，是無鐵素體。目前，廣泛應用于航空航天、石化、化工、食品加工、造紙和金屬加工業。

馬氏體不銹鋼17-4PH，在高達315℃下仍具有高強度高韌性，而且耐腐蝕性超強，隨著激光加工狀態可以帶來極佳的延展性。

3.合金

金屬3D打印材料應用最為廣泛的金屬粉末合金主要有純鈦及鈦合金、鋁合金、鎳基合金、鈷鉻合金、銅基合金等。

1）純鈦及鈦合金

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目前應用于市場的純鈦，又稱商業純鈦，分為1級和2級粉體，2級強于1級，對于大多數的應用同樣具有耐腐蝕性。因為純鈦2級具有良好的生物相容性，因此在醫療行業具有廣泛的應用前景。

鈦是鈦合金產業的關鍵。目前，應用于金屬3D打印的鈦合金主要是鈦合金5級和鈦合金23級，因為其優異的強度和韌性，結合耐腐蝕、低比重和生物相容性，所以在航空航天和汽車制造中具有非常理想的應用，而且，因為強度高、模量低、耐疲勞性強，應用于生產生物醫學植入物。鈦合金23級，純度更高，是神級一樣的牙科和醫療鈦品級。

2）鋁合金

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目前，應用于金屬3D打印的鋁合金主要有鋁硅AlSi12和AlSi10Mg兩種。鋁硅12，是具有良好的熱性能的輕質增材制造金屬粉末，可應用于薄壁零件如換熱器或其他汽車零部件，還可應用于航空航天及航空工業級的原型及生產零部件；硅/鎂組合使鋁合金更具強度和硬度，使其適用于薄壁以及復雜的幾何形狀的零件，尤其是在具有良好的熱性能和低重量場合中。

3）鎳基合金

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一般情況下，鎳基合金都具有良好的抗拉伸、抗疲勞和抗熱疲勞性能。目前，主要有Inconel 738、Hastelloy X、Inconel 625、Inconel 713、Inconel 718等。

Inconel 738具有良好的高溫蠕變斷裂強度，抗熱腐蝕性是較低鉻含量的超合金，可長期暴露于高達920-980℃的高溫腐蝕性的環境中，適用于飛機發動機、燃氣輪機。

Hastelloy X在高溫下具有高強度和抗氧化性，在高達1200℃的環境中，也具有良好的延展性，目前，主要應用于航空航天技術中，例如燃氣輪機部件和燃燒區組件如過渡管、燃燒器罐、噴桿、排氣管、加力燃燒室等；而且還因為具有耐應力腐蝕開裂的性能，應用于工業爐、石油化工及化學過程工業中。

Inconel 625在高溫約815℃的條件下依然具有良好的負載性能，而且耐腐蝕性強，廣泛應用于航空航天、化工及電力工業中。

Inconel 713具有優異的抗熱疲勞性能，以及在927℃的特殊斷裂強度，適用于噴氣發動機燃氣輪機葉片。

Inconel 718是基于鐵鎳硬化的超合金，具有良好的耐腐蝕性及耐熱、拉伸、疲勞、蠕變性，適用于各種高端應用，例如，飛機渦輪發動機和陸基渦輪機等。

4）鈷鉻合金

鈷鉻合金具有高強度、耐腐蝕性強、良好的生物相容性以及無磁性的性能，主要應用于外科植入物包括合金人工關節、膝關節和髖關節，同時其還可用于發動機部件以及時裝、珠寶行業等。

5）銅基合金

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應用于市場的銅基合金，俗稱青銅，具有良好的導熱性和導電性，可以結合設計自由度，產生復雜的內部結構和冷卻通道，適合冷卻更有效的工具插入模具，如半導體器件，也可用于微型換熱器，具有壁薄、形狀復雜的特征。

金屬3D打印發展存在哪些難點？

首先，3D打印雖然是一項自由結構制造的技術，但是，需要有很多加工方法來規避3D打印后處理的難題。需要使用傳統制造業的數控機床加工技術，解決3D打印后處理過程中的不足。

第二，金屬打印由于支撐問題，會導致后期零件無法加工。3D打印由于采用的是材料層層疊加的技術，生產過程中，某些部件部位由于重力原因可能出現變形，因此需要支撐材料。某些復雜構件的內腔等部位使用這些支撐材料成型后，支撐材料不易去除，是金屬3D打印需要解決的一個重要問題。

第三，需要熟悉材料。金屬材料種類繁多，不同的材料具有不同的屬性，應用范圍不同。以3D打印航空航天零部件為例，航空航天上使用的金屬部件都是在極端環境下的，具有強抗腐蝕性、耐高溫、金屬強度高的特點，如果不熟悉材料特征，就不能很好地利用3D打印控制制造金屬零部件。

第四，金屬3D打印材料成本較高，制約了該技術的普及推廣。成本高企的原因主要有兩方面，一方面是因為國內大部分的金屬3D打印材料依賴進口，另一方面，前期研發金屬打印新材料需要投入大量的科研經費及人力、物力資源。但是，開發專用的金屬3D打印原材料是推動金屬3D打印發展的必然要求，而且，也是完善3D打印產業鏈的必然趨勢。

總結

3D打印技術、機器人技術等新興技術是我國“中國制造2025”的重要組成部分，是實現我國工業現代化的重要因素。3D打印在未來具有廣闊的應用前景，可以應用于幾乎各行各業，正如目前已經提出并得到廣泛推廣的“互聯網+”技術一樣，隨著3D打印技術的發展成熟，未來現代制造業可能出現“3D打印+”的局面，3D打印也將不僅局限于工業制造領域，在文化創意領域、設計領域等等也將得到更廣泛的應用，甚至可能走進千家萬戶，成為日常生活中的一部分，消費者根據自己的需求，隨時生產自己想要的物品。金屬3D打印突破了材料領域的限制，賦予了3D打印更加鮮明的工業制造特征，必將得到更廣泛的應用和關注。（來源網絡）

轉載自上海增材制造協會

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