3D打印是20世（shì）紀80年（nián）代出現的一（yī）項先（xiān）進製造技術，並在近十多年來得到越來越多國家和產（chǎn）業界的重視。但是，3D打印（yìn）技術卻並未如很多人期望的那樣，在短期內迅速發展起來（lái），替代現有製造技術。導致這​種局麵（miàn）的（de）原因，除了該技術本（běn）身的成熟度需要不斷改進（jìn）等因素外，另一個重要原因在於，3D打印需要的材料製備與現有材料有很大的（de）不同。傳統製造使用的原材料已經有成千上萬種，而目前能夠被用於3D打印的材料品種少，質量規格不齊全，嚴重地製約了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，並開發出金屬3D打印機和金屬（shǔ）3D打印材（cái）料，這一技術的出現，突破了3D打印（yìn）在金屬應用領域的限製，使得3D打（dǎ）印進入了一個新的裏程碑。近十年（nián）來，我國（guó）金屬3D打印技術也（yě）獲得了突（tū）破性進展，研發出具有自主知識（shí）產（chǎn）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。

什麽是金屬3D打印？

金屬3D打印是屬於數字熱加工的一項技術，目前製備金（jīn）屬的3D打（dǎ）印技術主要有：選區（qū）激光熔化/燒結（SLM/SLS)、電子束選（xuǎn）區熔化（EBSM)、激（jī）光近淨成形（LENS)等（děng）。與傳統工（gōng）藝相比，金屬3D打印有直接成型，無需模具，可以（yǐ）實現個性（xìng）化設計並製作複雜結構，高效、低消耗、低成本等優點。但是因（yīn）為其是數字熱加工，變形是無法消除的，變形量需要從工藝和（hé）經驗（yàn）上去控製，最後還（hái）要經過數控機床等技術的後期加工處理。

金屬3D打（dǎ）印材料的應用

金（jīn）屬（shǔ）3D打印材料的應用領域相（xiàng）當廣（guǎng）泛，例如，石化工程應用、航空航天、汽（qì）車製造、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（shì），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範圍，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（shǔ）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（de）因素。

金（jīn）屬3D打印（yìn）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、不鏽鋼、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（tǐ）鋼

以工具鋼和馬氏體鋼為例，工具（jù）鋼的適用性來源於其優異的硬度、耐磨性和（hé）抗形（xíng）變能力，以及在高溫下保持切削刃的（de）能力。模具H13熱（rè）作工具鋼就是其中一種，能夠承受不確（què）定時間的工藝條件；馬氏體鋼，以馬（mǎ）氏體300為例，又稱“馬氏（shì）體時效”鋼，在時效過程中的高（gāo）強度、韌性和尺寸穩定性（xìng）都是眾所周知的。他們與（yǔ）其他鋼不同，因為他們是不含碳的，屬於金屬間化合物（wù），通（tōng）過豐富的（de）鎳、鈷和鉬的冶金反應硬化。由於高硬（yìng）度（dù）和耐磨性，馬氏體300才適用於許多模具的應用，例如，注塑模（mó）具、輕金屬合金鑄造、衝壓和擠壓等，同時，其也廣泛應用於航（háng）空航天、高強度機身部件和賽車零（líng）部件。

   2.不鏽鋼

不鏽鋼與碳鋼（gāng）不（bú）同，目前的（de）鉻含量不同，10.5%鉻含量最低的鋼合金，不鏽鋼不容易生鏽腐蝕。目（mù）前，應用（yòng）於金屬3D打印的不鏽（xiù）鋼主要有三（sān）種：奧氏體不鏽鋼316L、馬氏體不鏽鋼15-5PH、馬氏體（tǐ）不（bú）鏽鋼17-4PH。

奧氏體不鏽鋼316L，具有高強（qiáng）度和耐腐蝕性，可在很寬的溫度範圍（wéi）下降到低溫，可應用於航空航天、石化（huà）等多種工程應用（yòng），也可以用於食品（pǐn）加工（gōng）和醫療等領域。

馬氏體不鏽鋼（gāng）15-5PH，又稱馬氏體時效（沉澱（diàn）硬化）不鏽鋼，具有很高（gāo）的強度（dù）、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（qián），廣泛應用於航空航天、石化、化（huà）工、食品加工、造紙和金屬加工（gōng）業。

馬氏體（tǐ）不（bú）鏽鋼17-4PH，在高達315℃下仍具有高強度高韌性，而且耐腐蝕性超強（qiáng），隨著激光加（jiā）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（hé）金等。

1）純（chún）鈦及鈦合金（jīn）

目前應用於市場的（de）純鈦（tài），又稱商業純鈦，分為1級和2級粉體，2級強於1級，對（duì）於大多數的應用同樣具有耐腐蝕性。因為純鈦2級（jí）具有良好的生物（wù）相容性（xìng），因此在醫療行業具有（yǒu）廣泛（fàn）的應用前景。

鈦是鈦（tài）合金產業（yè）的關鍵。目前，應用於金屬3D打（dǎ）印的鈦合金（jīn）主要（yào）是鈦合（hé）金5級和鈦合金23級，因為其優異的強度和韌（rèn）性，結（jié）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中具有非常（cháng）理想的應用，而且，因為強度高、模量低、耐（nài）疲勞性強，應用於生（shēng）產生物醫學植入物。鈦（tài）合金23級，純（chún）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（yìn）的鋁合金主要有鋁（lǚ）矽AlSi12和AlSi10Mg兩種（zhǒng）。鋁（lǚ）矽12，是具有良好的熱性能的輕質（zhì）增材製造金屬粉末，可應用於薄壁零件如換熱器或其他汽車（chē）零部件，還可應用於航空航天及航（háng）空工業級的原（yuán）型及生產零部件；矽/鎂組合使鋁合金更具強度和硬度（dù），使其適用於薄壁以（yǐ）及複雜的幾何形狀的零件，尤其是（shì）在具有良好的（de）熱性能和低重量場合中。

3）鎳基合金

一（yī）般情況（kuàng）下，鎳基（jī）合金都具有（yǒu）良好的（de）抗拉伸、抗（kàng）疲勞和抗（kàng）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（de）高溫蠕變斷裂（liè）強度，抗熱腐蝕性是較低鉻含量的超合金，可長期暴露於高達（dá）920-980℃的（de）高（gāo）溫腐蝕性（xìng）的環境中，適用於（yú）飛機發動機、燃氣輪機。

Hastelloy X在高溫下具有高（gāo）強度和抗（kàng）氧化性，在高達1200℃的環境中，也具有良好的延展性，目前，主要應用於航空航天技術中，例如燃（rán）氣輪機部件和燃燒區組件如過渡管、燃燒器罐、噴杆、排氣管、加力燃燒室等；而且還（hái）因為具（jù）有耐應力腐蝕開（kāi）裂的（de）性能，應用於（yú）工（gōng）業爐、石油化（huà）工及化學過程（chéng）工業中（zhōng）。

Inconel 625在高溫（wēn）約815℃的條件下依然具有良好（hǎo）的負（fù）載性能，而且耐腐蝕性強，廣泛（fàn）應用於航空航天、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（liè）強度，適用於噴氣發動機燃（rán）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、拉伸、疲勞、蠕變性，適用於各種高端應用，例如，飛機渦輪發動機和陸基渦輪機等。

4）鈷鉻合金

鈷（gǔ）鉻合金（jīn）具有高強度（dù）、耐腐蝕性強、良好的生（shēng）物相容性以及無磁性的性能，主要應用於外（wài）科植入（rù）物包括合金人工關節、膝關節和髖（kuān）關節，同時其還可（kě）用於發動機部件以及時裝、珠寶行業等（děng）。

5）銅基合金（jīn）

應用於市（shì）場的銅（tóng）基合金，俗稱青銅，具有良好的導熱性和導電性（xìng），可（kě）以結合設計自由度，產生複雜的（de）內部結構和冷卻通道，適合冷卻（què）更有效（xiào）的工具插入模具，如半導體器件，也可用於微型換熱器，具有壁（bì）薄、形狀複雜的（de）特征。

金屬（shǔ）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製造的技術，但是，需要有很多加工方法來規避3D打印後處理的難題。需要使用傳統製造業（yè）的數控機床加工技術，解決（jué）3D打印後處理過程中的（de）不足。

第二，金屬打印（yìn）由於支撐問題，會導致（zhì）後（hòu）期零件無法加工。3D打印由於（yú）采用的是材料層層疊加的技術，生產過程中，某些部件部位由於重力原因可能出現變形，因此需要支撐材料（liào）。某些複雜構件（jiàn）的內腔等部位使用（yòng）這些支撐材料成型後（hòu），支撐材料不易去除，是金（jīn）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（bú）同的材料具有不同的屬性（xìng），應用範圍不同。以3D打印航空航（háng）天（tiān）零（líng）部件為例，航空（kōng）航天上使用的金屬（shǔ）部件都是在極端環境下的，具有強（qiáng）抗腐蝕性、耐高溫、金屬強度高的特點（diǎn），如（rú）果不熟悉材（cái）料特征，就不能很好地利用3D打印控製製造金屬零部件。

第四，金屬3D打印（yìn）材料成（chéng）本較高，製約了該技術的普及推廣。成本高（gāo）企的原因主要有兩方麵，一方麵是因為（wéi）國內大部分的金屬3D打（dǎ）印材料依賴進口，另一方麵，前期研發金屬打（dǎ）印（yìn）新材料需要投入大量的科研經費及人力、物力（lì）資（zī）源。但（dàn）是，開發專用（yòng）的金屬3D打印（yìn）原（yuán）材料是推動金屬（shǔ）3D打印發展的必（bì）然要求，而且，也是完善3D打印產業鏈的（de）必然趨勢。

總結

3D打（dǎ）印（yìn）技術、機器（qì）人技術等新興技術是我國“中國製造2025”的重要組成部分（fèn），是實現我國工業現代化的重要因素。3D打（dǎ）印在未來具有廣闊的應用前景，可（kě）以應用（yòng）於幾乎各行各業，正如目前已經提出並得到廣泛推廣的“互聯網+”技術一樣，隨著3D打印技術的發展成（chéng）熟，未來現代製造業可能出現“3D打印+”的局麵（miàn），3D打印也將不僅（jǐn）局限於工業製造領（lǐng）域，在文化創意領域、設計領域等等也將得到更廣泛的應（yīng）用，甚至可能走進（jìn）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（yù）的限（xiàn）製，賦予了3D打印更加鮮明的工業製造特（tè）征，必（bì）將得到更廣泛的應用和關注。（來源（yuán）網（wǎng）絡）

轉載自上海增材製造協會