3D打（dǎ）印是20世紀（jì）80年代出現的一項先進製造技術，並在近十多年來得到越來越多國家和產業界的重視。但是，3D打印技術卻並未如很多人期望的那樣，在短期（qī）內迅速發展起（qǐ）來，替代現有製造技（jì）術。導致這​種局麵的原因，除（chú）了該（gāi）技術本身的成熟度需要不（bú）斷（duàn）改（gǎi）進等因素外，另一個重要原因在於，3D打印需要的材料製備與現（xiàn）有材料有很（hěn）大的不同。傳統製造使用的（de）原材（cái）料已經有（yǒu）成千上萬種，而目前能夠（gòu）被用於3D打印的（de）材料（liào）品種少，質量規格不齊全，嚴重地製約了（le）3D打印行業的（de）發（fā）展。20世紀90年代（dài），國（guó）外開始出現金屬3D打印技術，並開發（fā）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（lǐng）域的限製，使得3D打印進入了一個（gè）新的裏程碑。近十（shí）年來，我國（guó）金屬3D打印技術（shù）也（yě）獲得（dé）了突破（pò）性進展，研發出具有自主知識產權（quán）的金屬3D打印機（jī）和金屬材料。

今天我們就一起認識一（yī）下金屬3D打印。

什麽是金屬3D打印？

金屬3D打印是屬於（yú）數字熱加工的一項技術（shù），目前製（zhì）備金屬的3D打印技術主要有：選區激光熔化/燒（shāo）結（SLM/SLS)、電子束選區熔化（EBSM)、激光近淨成形（LENS)等。與傳統工藝相比，金屬3D打印有直接成型，無需模具（jù），可以實現（xiàn）個性化設計並製作（zuò）複雜結構，高效、低消耗、低成本等優點。但（dàn）是因為（wéi）其是數字熱加工（gōng），變形是（shì）無法消（xiāo）除的，變形量需要從工藝和經驗上去控製，最後還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

金屬3D打印材（cái）料的應用領域相當廣泛，例如，石化工程（chéng）應用、航空航天、汽車製造、注塑模具、輕金屬合金鑄造、食品加工（gōng）、醫療、造（zào）紙（zhǐ）、電力工業（yè）、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（dōu）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（shì）一個權衡多個因素的過程。而且，3D打印金屬不能僅僅憑（píng）借金屬3D打印機的（de）參數來衡定，每種金屬材料都有適合自身特（tè）性的極限點，包括應用、功能、穩定性、耐久性、美（měi）觀性、經濟性（xìng）都是設計師要考慮的因（yīn）素。

金屬3D打印（yìn）材料的主要種類

現今，國內外金屬3D打印（yìn）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（jī）合金、鈷鉻合金等。

1.工具鋼和馬氏（shì）體鋼

以工具鋼和馬氏體鋼為例，工具鋼的適用性來源於其優異的硬度、耐磨性和（hé）抗形變能（néng）力，以及在高溫下保持（chí）切削刃的能力（lì）。模具H13熱作工具鋼就是其中一種（zhǒng），能夠（gòu）承受不確（què）定時間的工藝條件；馬氏體鋼，以馬氏體300為例（lì），又（yòu）稱“馬氏體時效（xiào）”鋼，在時效過程中的高強度、韌性和尺寸穩定性（xìng）都是眾所周知的。他們與其他鋼不同，因為他們（men）是（shì）不含碳（tàn）的（de），屬於金（jīn）屬間化合物，通過豐富的鎳、鈷和鉬的（de）冶金反應硬化。由（yóu）於高（gāo）硬度和耐磨性，馬氏體300才（cái）適用於許多模具的應用，例如，注塑模具、輕金屬合金鑄造、衝壓（yā）和擠壓等（děng），同時，其也廣泛應用於航空航天、高強度機身部件和賽車零部（bù）件。

   2.不鏽鋼

不鏽鋼與（yǔ）碳（tàn）鋼（gāng）不同，目前的鉻含量不同，10.5%鉻含量最低的鋼合金，不鏽鋼不容（róng）易生（shēng）鏽腐蝕。目前，應用（yòng）於金屬3D打印的不鏽鋼主要（yào）有三種：奧氏體不鏽鋼316L、馬（mǎ）氏體不鏽鋼15-5PH、馬氏體不鏽（xiù）鋼17-4PH。

奧氏體不鏽（xiù）鋼316L，具（jù）有高強度和耐腐蝕性，可在很寬的溫度範圍下降到低溫，可應用於航空航天、石化等多種工程應用，也可以用於食品（pǐn）加工和醫療等領域。

馬氏體不鏽鋼15-5PH，又稱馬氏體時效（沉澱硬化）不（bú）鏽鋼，具（jù）有很高的強度、良好的（de）韌性、耐腐蝕性，而且可以進一步的硬化，是無鐵素體。目前，廣泛應用於航空航（háng）天（tiān）、石（shí）化、化工、食品加工、造紙和金屬加工業。

馬氏體不鏽鋼17-4PH，在高達315℃下仍具（jù）有高強度高韌性，而且耐腐蝕性超（chāo）強，隨著激光加工狀態（tài）可以（yǐ）帶來極佳的延展性。

3.合金

金屬3D打印材料（liào）應用最為廣泛的（de）金屬粉末合金（jīn）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

目（mù）前應用於市場的純鈦，又稱商業純鈦，分為1級和（hé）2級粉體，2級強於（yú）1級，對於大多（duō）數的應用（yòng）同樣具有耐（nài）腐蝕性。因為純鈦2級具有良好的（de）生物相容性（xìng），因此在醫療（liáo）行業具有（yǒu）廣泛的應用前景。

鈦是鈦合金產（chǎn）業的關鍵。目（mù）前，應（yīng）用於金屬3D打印的鈦合金（jīn）主要是（shì）鈦合金5級和（hé）鈦合金23級，因為其（qí）優異的強度和韌性，結合耐腐蝕、低比重和生物相容性，所（suǒ）以在航空航天和汽車製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，應用於生產生物醫學植入物（wù）。鈦合金23級，純度更（gèng）高，是神（shén）級一樣的牙（yá）科和（hé）醫療鈦品級。

2）鋁合金（jīn）

目前，應用（yòng）於金屬3D打印的鋁合金（jīn）主要有鋁矽（guī）AlSi12和AlSi10Mg兩種。鋁矽（guī）12，是（shì）具有良好的熱性能的輕質增（zēng）材製（zhì）造金屬粉末，可應用於薄壁零件如換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（yuán）型及生產零部件；矽/鎂組合使鋁合金更具強度和硬度，使其（qí）適（shì）用於薄壁以及複雜的幾（jǐ）何形狀（zhuàng）的（de）零件，尤其是在具有良好的熱（rè）性能和低（dī）重量場合中。

3）鎳基合金

一般情況下，鎳基合（hé）金都具有良好的抗拉伸、抗疲勞（láo）和抗熱疲勞性能。目前，主（zhǔ）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（bào）露於高達（dá）920-980℃的高溫腐（fǔ）蝕性的環境（jìng）中，適用於飛機發動機、燃氣輪機。

Hastelloy X在高溫下具有高強度和抗氧化性，在（zài）高達1200℃的環境中，也具有良好（hǎo）的延展性，目前，主要應用於航空航天技術中，例（lì）如燃氣輪機部件和燃燒區組件如過渡（dù）管、燃燒器罐、噴杆、排（pái）氣管、加力燃燒室等；而且還（hái）因為具有耐應力腐蝕開裂的性能（néng），應（yīng）用於工業爐、石油化工及化學過程工（gōng）業中。

Inconel 625在高溫約（yuē）815℃的條件下依然具有良好的負載性能，而且耐腐蝕性強，廣（guǎng）泛應用（yòng）於航空航天、化工及電力工業（yè）中。

Inconel 713具（jù）有（yǒu）優異的抗熱疲勞性能，以及在927℃的特殊斷（duàn）裂強度，適用（yòng）於噴氣（qì）發動機燃氣輪機葉片。

Inconel 718是基於鐵鎳硬化的超合金，具有（yǒu）良好的（de）耐腐蝕性及（jí）耐熱、拉（lā）伸、疲勞、蠕（rú）變性，適用於各種高端應用，例如（rú），飛機渦輪發動機和陸基渦（wō）輪（lún）機等。

4）鈷鉻合金

鈷鉻合金具（jù）有高強度、耐腐蝕（shí）性強、良好的生物相容性以及無磁性的性能，主要應用（yòng）於外（wài）科植（zhí）入物包括合金人工關節、膝關節和髖關節，同時其還可用於發動機部件以及時裝、珠寶行業等。

5）銅基合金

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

金屬3D打印發展（zhǎn）存在哪些難點？

首先，3D打印雖然是一項（xiàng）自由結構製造的技術，但是（shì），需要（yào）有很多加工方（fāng）法來規避3D打印後處理的難題。需要（yào）使用傳統製造業的數控機床加工技術，解決3D打印（yìn）後處理過（guò）程中的（de）不足。

第二，金屬打印由於支撐（chēng）問題，會導（dǎo）致後期零件無法加工。3D打印由於采用的是材（cái）料層層疊加的技（jì）術，生產過程中，某些部件部位由於重（chóng）力原（yuán）因可能出現變形，因此需要支撐（chēng）材料（liào）。某些複（fù）雜構件的內（nèi）腔等部位使用這些（xiē）支撐（chēng）材（cái）料成型後，支撐材料不易去除，是金屬（shǔ）3D打印需要解決的（de）一個（gè）重要問題。

第三，需要（yào）熟悉材料。金屬材料種類繁多，不同的材料具有不同的屬性，應用範圍不同。以3D打印（yìn）航空航天零部件為例，航空航天上使用的金屬部（bù）件（jiàn）都是在極端（duān）環境下的，具有強抗腐（fǔ）蝕性、耐（nài）高溫、金屬強度高的特點，如果不熟悉材料特征（zhēng），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（dǎ）印材料成本較（jiào）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（fèn）的金屬3D打印材料依賴進口，另一方麵，前期研發金屬打印新（xīn）材料需要投入大量的科研經費（fèi）及人力、物（wù）力（lì）資源。但（dàn）是，開發專用的金屬3D打（dǎ）印原材（cái）料是推動金屬3D打印發展的（de）必然要求（qiú），而（ér）且，也是完善3D打印產（chǎn）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（zhōng）國製造2025”的重要組成部分，是實現我國工業現代（dài）化的重要因素（sù）。3D打印在未來具有廣闊的應用前（qián）景，可以（yǐ）應用（yòng）於幾乎各行各業，正如目前（qián）已經提出並得到廣（guǎng）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（lái）現代（dài）製造業可能（néng）出現“3D打印+”的局麵，3D打印也將不僅局限於工業製造領域，在文化創意領域、設計（jì）領域等（děng）等也將得到更廣泛的應用（yòng），甚至（zhì）可能走進千家萬戶，成為日常（cháng）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（pǐn）。金屬3D打印突破（pò）了材料領域的限製，賦予了3D打印更加鮮明的工（gōng）業製造特征，必將得到更廣泛的應用和（hé）關注。（來源網絡（luò））

轉載自上海增（zēng）材製造協會