3D打印是20世紀80年代出現的一（yī）項先進（jìn）製造技術，並在近十多年（nián）來得到越來越多國家和（hé）產業界（jiè）的重視。但是，3D打印技術卻並未如很多（duō）人期望的那樣，在短期內迅速（sù）發展起來，替（tì）代現有製造技術。導（dǎo）致（zhì）這​種局麵的原因，除（chú）了該技術（shù）本身的成熟度需要不斷改進等因素外，另一個重要原因（yīn）在於（yú），3D打印需要的材料（liào）製備與現有材料有很大的不（bú）同。傳統製造使用的原材料已經有（yǒu）成千上（shàng）萬（wàn）種，而目前能夠被用於（yú）3D打印的材（cái）料品種少，質量規格不齊全，嚴重（chóng）地（dì）製約了3D打印（yìn）行業的發展。20世紀（jì）90年代，國外開始出現金屬3D打印技術，並開發出金屬3D打印（yìn）機（jī）和金屬3D打（dǎ）印材料（liào），這一技術的出現，突破了3D打印在金屬應用領域的限（xiàn）製，使（shǐ）得3D打印進入了一個新的裏程（chéng）碑。近十年來（lái），我國金屬3D打印技術也（yě）獲得了突破性進（jìn）展，研發出具有自主知（zhī）識產權的金屬3D打印機和金屬材料。

今天我們就一起（qǐ）認識一下金屬3D打印。

什麽是金屬3D打印？

金屬（shǔ）3D打（dǎ）印是屬於數字熱加工（gōng）的一項技術，目前製備金屬的3D打（dǎ）印技術主要有：選區激光熔化（huà）/燒結（SLM/SLS)、電子（zǐ）束選區熔化（EBSM)、激光近淨成形（LENS)等（děng）。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並製作複雜結構，高效、低消（xiāo）耗、低成（chéng）本等優點。但是因（yīn）為其是數字熱加工，變形是無法消除的，變形量需要從工（gōng）藝和經驗上去控製，最後還要經過數控機床等技術（shù）的後（hòu）期加工處理。

金屬3D打印材料的應用

金屬（shǔ）3D打印（yìn）材料的應（yīng）用領域相當廣泛，例如，石化工程應用、航空航天、汽車製造、注（zhù）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（děng）。

但是，因為金屬3D打印材（cái）料本身的（de）材料屬性（xìng），其都有特定的應（yīng）用領域範圍，因（yīn）此，金屬3D打印材料選（xuǎn）擇的過程是一個權衡多個因素的過程。而且，3D打印金（jīn）屬不（bú）能僅僅憑借金屬3D打印機的參數來衡定，每種金屬材（cái）料都有（yǒu）適合（hé）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（jì）師（shī）要考慮（lǜ）的（de）因素。

金（jīn）屬3D打印材料的主要種類

現今，國內（nèi）外金屬3D打印機采用的金屬粉末一般有：工具鋼、馬氏體鋼、不鏽鋼、純鈦及鈦合金、鋁合金、鎳基合金、銅（tóng）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（gāng）為例，工具鋼的適用性（xìng）來源於其優異的硬度、耐（nài）磨性和抗形變能力，以及在高溫（wēn）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（shì）體300為例，又稱“馬氏體時效”鋼，在時效過程中的高強度（dù）、韌性和尺寸穩定性都是眾所周知的（de）。他們與其他鋼不同，因（yīn）為（wéi）他們是不含碳的，屬（shǔ）於金（jīn）屬間化合物，通過豐富（fù）的（de）鎳、鈷和鉬的冶金反應硬化。由於高硬（yìng）度和耐磨（mó）性，馬氏體300才適用於許多模具的應用，例如，注塑模具、輕金（jīn）屬合金鑄造（zào）、衝壓和擠壓等（děng），同時，其也廣泛應用於（yú）航空航天、高（gāo）強度機身（shēn）部件和（hé）賽車零部件。

   2.不鏽鋼

不鏽鋼與碳鋼不同，目前的鉻含（hán）量不（bú）同（tóng），10.5%鉻含量最低的鋼合金，不鏽鋼不容易生鏽（xiù）腐蝕（shí）。目前，應用於（yú）金屬3D打（dǎ）印（yìn）的不鏽鋼主要有三種：奧氏體不鏽鋼316L、馬氏體（tǐ）不（bú）鏽鋼15-5PH、馬氏體不鏽鋼17-4PH。

奧氏體（tǐ）不鏽鋼（gāng）316L，具有高強度和耐腐蝕性，可（kě）在很寬的溫度範圍下降到低溫，可應用（yòng）於航空航天、石化等（děng）多種工程應用，也可以用於（yú）食品加工和醫療等領域。

馬氏體不鏽鋼15-5PH，又（yòu）稱馬氏體時效（沉澱硬化）不鏽鋼，具（jù）有很高的強度、良好的韌性（xìng）、耐腐蝕性，而且可以進一步的硬化（huà），是無鐵素體。目（mù）前，廣泛應用於航空航天、石化、化工、食品加工、造紙和（hé）金屬加工業（yè）。

馬氏體不鏽鋼17-4PH，在（zài）高（gāo）達315℃下仍具有高強度高韌性，而且耐腐（fǔ）蝕性超強，隨著激光加工（gōng）狀態（tài）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（hé）金、鎳基合金、鈷（gǔ）鉻合金（jīn）、銅基合金等。

1）純鈦及鈦合金

目（mù）前應用於市場的純鈦（tài），又稱商業純鈦（tài），分為1級和2級粉體，2級強於1級，對於大多數的（de）應用同（tóng）樣具（jù）有耐腐蝕性。因為純（chún）鈦2級具有良好的生物（wù）相容（róng）性，因此在醫療行業具有廣泛的（de）應用前景。

鈦是鈦合金產業的關鍵。目前，應用於金屬3D打印（yìn）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（shí）、低比重和生物相容性，所以在航空航天和汽車製造（zào）中具有非常理想的應用，而且，因（yīn）為強（qiáng）度高、模（mó）量（liàng）低、耐疲勞性強，應用於生產生物醫學植入物。鈦合（hé）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

目前，應用於金屬3D打印的鋁合金主要有（yǒu）鋁矽AlSi12和AlSi10Mg兩種。鋁矽12，是具有良（liáng）好的熱性能（néng）的輕質增材製造金屬粉末（mò），可應用於薄壁（bì）零件如換（huàn）熱器或其他汽車零部件，還可應用於航空航天及航空工業級的原型及生產零部件；矽/鎂組合使鋁（lǚ）合金更具強度和硬度，使其適用於薄壁以及複雜的幾何形狀（zhuàng）的零件，尤其是（shì）在具有良好的熱性能和低重量場合中。

3）鎳基（jī）合金

一般（bān）情況下，鎳基合金（jīn）都具（jù）有良好的抗拉伸、抗疲勞和抗熱疲（pí）勞性能。目前，主要有（yǒu）Inconel 738、Hastelloy X、Inconel 625、Inconel 713、Inconel 718等（děng）。

Inconel 738具有良好的高溫蠕變斷裂強度（dù），抗熱腐蝕性是（shì）較低鉻含量的超合金，可長期暴露於高達920-980℃的高溫腐蝕性的（de）環境中，適用於（yú）飛機發動機、燃（rán）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（yě）具有良好的（de）延展性（xìng），目前，主要應用於航空航天技術中，例如燃氣輪機部件和燃（rán）燒區組件（jiàn）如過渡管、燃燒器罐、噴杆、排氣管、加力燃燒室等；而且還因為具（jù）有耐應力腐蝕開（kāi）裂的性（xìng）能，應用於（yú）工業爐、石油化工及（jí）化學過程工業中。

Inconel 625在高（gāo）溫約815℃的條件下依然具（jù）有良好的負載性能，而且（qiě）耐腐蝕性強，廣泛應用於航空航天（tiān）、化工及電力（lì）工業中（zhōng）。

Inconel 713具（jù）有優異的抗熱疲（pí）勞性能，以及在927℃的特殊斷裂強度，適（shì）用於噴氣發動機燃氣輪機葉片。

Inconel 718是基於鐵鎳硬化的超合金，具有良好的耐腐蝕性及耐熱（rè）、拉伸、疲勞、蠕變性，適用於各（gè）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（jīn）具有（yǒu）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（yào）應用於外科植入物包（bāo）括合金人工關節、膝關節和髖關節，同時其還可用於發動機部件以及時裝、珠（zhū）寶行業等。

5）銅基合金

應用於市場的銅基合金，俗稱青銅，具有良好的導熱性和導電性（xìng），可以結合設計自由度，產生複（fù）雜的內部結構和冷卻通道，適合冷卻更（gèng）有（yǒu）效的工具插入模具，如半導體器件，也可用於微型換熱器（qì），具有壁薄、形狀複雜的特征。

金屬3D打印發展存在哪些難點？

首先，3D打印（yìn）雖然是一項自由結構製造的技術，但是，需要（yào）有（yǒu）很多加工方法來規避3D打印後處理的難題。需（xū）要使用傳統製造業的數控（kòng）機床加工技術，解決3D打印（yìn）後處理過程中的（de）不足。

第二（èr），金屬打印由於支撐問題，會導（dǎo）致後期零（líng）件無法加工。3D打印由於采用（yòng）的是材料層層疊加的（de）技（jì）術，生產過程中，某些（xiē）部件（jiàn）部位由（yóu）於重力原（yuán）因可能出現變（biàn）形，因此需（xū）要支撐材料。某些複雜構件的（de）內腔等部位（wèi）使用這些支（zhī）撐材料（liào）成型後，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（lèi）繁多，不同的材料具有不同的（de）屬性，應用範圍不同。以3D打印航（háng）空航（háng）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（gāo）溫、金屬強度高的特點，如（rú）果不熟（shú）悉材料特征，就不能很好地利用3D打印控製製造金屬零部（bù）件。

第四，金屬3D打印材（cái）料成本較高，製約了該技術的普及推廣。成本高企的原因主要有兩方麵，一方麵是因為國內大部分的金屬3D打印材（cái）料（liào）依（yī）賴進口，另一方麵，前期研發金屬打印新材（cái）料需要投（tóu）入大量的科研經費及人力（lì）、物力（lì）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（yě）是完善3D打印產業鏈的必然趨勢。

總結

3D打印技術、機器人（rén）技術等新興技術是我國“中國製造2025”的重要（yào）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（yīng）用於幾乎各行各業（yè），正如目前（qián）已經提出並得到廣泛（fàn）推廣的“互聯網（wǎng）+”技術一樣，隨著3D打印技術的發（fā）展成熟，未來現代製造業可能（néng）出現“3D打印（yìn）+”的局麵，3D打印也將不僅局限於工業製造（zào）領域，在文化（huà）創意領域（yù）、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（yī）部分，消費者根據自（zì）己的需求，隨時生產（chǎn）自己想要的物品。金屬3D打印突破了材料領域（yù）的（de）限製，賦予（yǔ）了3D打印更加鮮（xiān）明（míng）的工業製造特（tè）征，必將得到更廣泛的應（yīng）用和關注。（來源網絡）

轉載自上海增材（cái）製（zhì）造協會