2017年，是3D打（dǎ）印井噴式發展的黃金時（shí）期（qī）。不論是（shì）國家政府部門，還是傳統企業，都在積極促進3D打印與行業間（jiān）的深（shēn）度（dù）融合，以期推動（dòng）3D打印的市（shì）場應用，帶動傳統行（háng）業的（de）轉型升級。但是，我們也不能盲目樂觀，3D打印發（fā）展仍需要循序漸進，夯實基礎，不僅（jǐn）需要大（dà）量的科研經費支持材料及技術研發，還需要統一行業標準，建（jiàn）立完善的產業鏈，尤其是3D打印材料的研發應用，是（shì）製約（yuē）3D打印發展的關（guān）鍵因素。

 

近（jìn）幾年隨著3D打印技術（shù）的快速發（fā）展，它在航（háng）空航天、汽車、生物醫藥和建築領（lǐng）域的應用（yòng）範圍逐步拓寬，其方便快（kuài）捷、材料（liào）利用率高（gāo）等優勢不斷顯（xiǎn）現。

目前（qián），金屬3D打（dǎ）印技術主要有選擇性激光燒結（SLS）、電子束熔融（EBM）、選擇性激光熔化（SLM）和激光近淨（jìng）成形（LENS），其中選擇性激光（guāng）熔化為研究的熱點，其使用高能激（jī）光源，可以熔融多（duō）種金屬粉末。國內外（wài）金屬3D打印機采用的金（jīn）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（jīn）、銅基合金、鈷鉻合金等。常用的粉體為鈦粉、鋁合金粉和不鏽鋼粉。

 

 

 

 

What is 金（jīn）屬（shǔ）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打印技術主要有（yǒu）：選區激光熔化/燒結（SLM/SLS)、電子（zǐ）束選區熔化（EBSM)、激光近淨成形（LENS)等。與傳統工（gōng）藝相比，金屬3D打印（yìn）有直接成型，無需（xū）模具，可（kě）以實現個性化設計並製作複雜結（jié）構，高效、低消耗、低成本（běn）等優點。但是（shì）因為其是數字熱加工，變形是無（wú）法消除的，變形量需要從工藝和經驗上去控製，最後還要（yào）經過（guò）數控機床等技術的後期加工處理。

 

 

 

雖然說3D打印在國內近幾年熱度才升起來，但就國際而（ér）言，3D打印發展早在20世紀80年代就已經興起了。國（guó）際範圍內，美國Argen Corporation(在牙科金屬材料領域尤其有實力），美國Carpenter Technology，德國Concept Laser, 英國（guó）CPM，德國EOS，意大利Legor Group，英國LPW Technology，美國（guó）Pyrogenesis(在國防領域尤（yóu）其擅長），瑞（ruì）典Sandvik，德國SLM Solutions等企業在各自的金屬打印領域提供了一係列的行業（yè）解決方案。相比國外，國內金屬3D打印材料大部分依賴進口，價格昂貴，這也促使國（guó）內致力於3D打印（yìn）金屬材料的企業和機（jī）構自主研（yán）發金屬3D打（dǎ）印材料。

 

In where 金屬3D打（dǎ）印材料（liào） be used ？

 

金（jīn）屬3D打印材料的應用領域相當廣泛（fàn），例如，石化工程應用、航空航（háng）天、汽車製造、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（shí）裝等。

 

但是，因為金屬（shǔ）3D打印材料本身的（de）材料屬性，其都有特定的應用領（lǐng）域範圍，因此，金屬（shǔ）3D打印材料選擇的過程是一個權衡多個因素的過（guò）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（dōu）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（shì）設計師要考慮（lǜ）的因素。

 

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（jí）鈦合金、鋁合金、鎳基合金、銅基合金、鈷（gǔ）鉻（gè）合金等。

 

1.工具鋼和馬氏體鋼

 

 

工（gōng）具鋼

 

以工具鋼和馬氏體鋼為例，工（gōng）具鋼的適用性來源於其優異的硬（yìng）度、耐磨性和抗形變能力，以及（jí）在高溫下保持切削刃的能力。模具（jù）H13熱作工具鋼就是其中一種（zhǒng），能夠承受不確定時間的工藝（yì）條件；馬氏體鋼，以（yǐ）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（zhōu）知（zhī）的（de）。他們與（yǔ）其他鋼（gāng）不同（tóng），因為他們是（shì）不含碳的，屬於金屬間化合物，通過豐富的鎳、鈷和鉬的冶金反（fǎn）應硬化。由（yóu）於高硬度和耐（nài）磨性，馬氏體300才適用於許（xǔ）多模具的應（yīng）用，例如，注塑模（mó）具、輕金屬合金鑄造、衝壓和擠壓等，同時（shí），其也廣泛應用於航空航天、高強度機身部件和（hé）賽車零部件。

 

2.不鏽鋼

 

 

 

不鏽鋼

 

不鏽鋼與碳鋼不同，目前的鉻含量不同，10.5%鉻含量（liàng）最低的鋼合金（jīn），不鏽鋼不容易生鏽腐蝕。目前，應用於金屬（shǔ）3D打印的不（bú）鏽（xiù）鋼主（zhǔ）要有三種：奧（ào）氏體不（bú）鏽鋼316L、馬（mǎ）氏體不（bú）鏽（xiù）鋼15-5PH、馬氏體不鏽鋼17-4PH。

 

奧（ào）氏體不鏽鋼316L，具有高強度和（hé）耐腐蝕性，可在很寬的溫度範圍下降到低溫，可（kě）應用於航空航天、石化等（děng）多種工程應用，也可以（yǐ）用於食（shí）品加工和（hé）醫療等領域。

 

馬氏（shì）體不鏽鋼15-5PH，又稱馬氏體時效（沉澱硬化）不鏽鋼，具有很高（gāo）的（de）強度、良好的韌性、耐腐蝕性，而且可以進一步的硬化，是無鐵（tiě）素體。目前，廣泛應用於（yú）航空航天、石化、化工、食品（pǐn）加工、造紙（zhǐ）和金屬加工業。

 

馬氏體不鏽鋼17-4PH，在高達315℃下仍具有高強度（dù）高韌性，而且耐腐蝕性超強，隨著（zhe）激光加工狀態可以帶倆極佳的延展性。

 

3.合金

 

金屬3D打印材（cái）料應用最為廣（guǎng）泛的（de）金屬粉（fěn）末合金主要有純鈦及（jí）鈦合金、鋁（lǚ）合金、鎳基合金、鈷鉻（gè）合金、銅基合金（jīn）等。

 

純鈦及鈦合金

 

 

 

 

鈦合金整體（tǐ）框

鈦合金

 

目前應用於市場的純鈦，又稱商（shāng）業純鈦，分為1級和2級粉（fěn）體，2級強於1級，對於大多（duō）數的應用同樣具（jù）有耐腐蝕性。因為純鈦2級具有良好的生物相容性，因此在（zài）醫療行業具有廣泛的應用（yòng）前景。

 

鈦是鈦合金（jīn）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、低比重和生物（wù）相容性，所以在航（háng）空航（háng）天和汽車製造（zào）中具有非常（cháng）理想的應用，而且，因為（wéi）強度高（gāo）、模量低、耐疲勞性強（qiáng），應用於生產生物醫學植入物。鈦合金23級，純度更高（gāo），是神級一樣的牙科和醫療鈦品級。

 

鋁合金

 

 

鋁合金

 

目前，應用於金屬3D打印的鋁合金主（zhǔ）要（yào）有鋁矽AlSi12和AlSi10Mg兩種。鋁矽12，是具有良好（hǎo）的熱性（xìng）能的輕質（zhì）增材製造金屬粉末，可應用於（yú）薄壁零件如換熱器或其他汽（qì）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（bù）件；矽/鎂組合使鋁合金更具強度和硬度，使其適用於（yú）薄壁以及複雜的幾何形狀的零（líng）件，尤其（qí）是在具有良好（hǎo）的熱性能和低重量場（chǎng）合中。

 

鎳基合金

 

 

一般情況下（xià），鎳基合金都具有良好的抗拉伸、抗（kàng）疲勞和（hé）抗熱疲勞性（xìng）能。目（mù）前，主要有Inconel 738、Hastelloy X、Inconel 625、Inconel 713、Inconel 718等。

 

Inconel 738具有良（liáng）好（hǎo）的高溫（wēn）蠕變斷裂強度，抗熱腐蝕性是較低鉻含量的超合金，可長期暴露於高達920-980℃的高溫（wēn）腐（fǔ）蝕性（xìng）的環境中，適（shì）用於飛機發動機、燃氣輪（lún）機。

 

Hastelloy X在高（gāo）溫下具有（yǒu）高強度和抗氧化性（xìng），在高達1200℃的（de）環境中，也具有良好的延展性，目前，主要應用於航空（kōng）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、噴杆、排氣管、加力（lì）燃燒室等；而且還因為具有耐應力腐蝕開裂的性能，應用於工業（yè）爐、石（shí）油化工及化學過程工業中。

 

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

 

Inconel 713具有優異的抗熱疲勞性能，以及（jí）在927℃的特（tè）殊斷裂強（qiáng）度，適用於噴（pēn）氣發動機燃氣輪（lún）機葉片。

 

Inconel 718是基於（yú）鐵鎳硬化的超合金，具有良（liáng）好的耐腐（fǔ）蝕性及（jí）耐熱、拉（lā）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（jī）和陸基渦輪（lún）機等。

 

鈷鉻合金

 

 

鈷鉻合金具有高強度、耐腐蝕性強、良好（hǎo）的生物相容性以及無磁性的性能，主要應用於外科植入物包（bāo）括合金人（rén）工關節、膝關節和（hé）髖關節，同時其還可用於發動機部件以及時裝、珠寶行業等（děng）。

 

銅基合金

 

 

 

青銅粉

 

應用於市場的銅基合金（jīn），俗稱青銅，具有良好的（de）導熱性和導電性（xìng），可以結（jié）合設計（jì）自由度，產生（shēng）複雜的內部結構和冷卻通道，適合冷卻（què）更有效的工具**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。

 

What problem 金屬3D打印 has ？

 

就國內而言，在金屬3D打印領域具有較高權威的3D打印企業當屬西（xī）安鉑力特，公司一直專注（zhù）於高性能致密金屬零件（jiàn）的激光立體成形製造，以及金屬零件（jiàn）的激光修複再（zài）製造，涵蓋各種鈦合金、高溫合（hé）金、不鏽鋼、模具鋼、鋁合金等材料。

 

據西安鉑力特區域經理周靈（líng）峰介紹，國內的傳統製造業體量非常巨大（dà），產（chǎn）品種類琳（lín）琅滿目，而3D打（dǎ）印作為一項前沿科技，遠遠談不上顛覆製造業，兩者是相輔相成（chéng）、相互促（cù）進、協同發展的。雖然，3D打（dǎ）印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打印後處理的的痛點。因（yīn）此，傳統製造業所（suǒ）使用的數控（kòng）機床加工技術就顯（xiǎn）得尤（yóu）為重要，其與3D打（dǎ）印相得益彰，不同的產品在利用這兩種技術時可以變化主導製造流程，塑造的產品會更加完美。

 

至於要真正加工一（yī）個近（jìn）乎（hū）完美的金屬件，設備載體固然（rán）重要，但是需要軟件、工藝、材料相互協調，當然，用金屬3D打印機製造零部件或者加工產品，首先需（xū）要熟悉材料，然後再談精密機械。而且，金屬打印，因為支撐問題，會導致後期零件無法加工，可能需要考慮更多材料成分的配比關係（xì）來**打印過程中其他因素對（duì）材（cái）料特性的影響。以3D打印航空航天零部件為例，航空航天上使用的金屬（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（qiáng）度高（gāo）的特點，如果不熟悉材料特征，如（rú）何利用（yòng）3D打印控製製造金屬零部件呢？因此，熟悉材料就顯得尤（yóu）為重要。

 

另外，金屬3D打印材料成本較高，一方麵是因為（wéi）國（guó）內（nèi）大部分的金屬3D打印材（cái）料依賴進口，另一方（fāng）麵，前期（qī）研發金屬打印新材料（liào）需要消（xiāo）耗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（dǎ）印發展的必然因素，而且，這也能催生新產業的發（fā）展（zhǎn）。

 

總結（jié）

 

內行看（kàn）門道，外行看熱鬧。就國內金屬3D打印的發展現狀而（ér）言，中國還有很長的路要走。據西安鉑（bó）力特區（qū）域經理周（zhōu）靈峰（fēng）介紹，我們看到，美國在走“互聯網+”，德國走“+互聯網”，然後中國以德為師，提出工業4.0。但是，我們要認識到，德國具（jù）有雄厚的工（gōng）業基礎作為支撐，才提出製造業+互聯網（wǎng），相比而言，中國的製造業基礎還是薄弱（ruò）的，而且研究（jiū）基礎也不高，這也是製約金屬3D打印材料發（fā）展的關鍵（jiàn）因素之一。現今國家提（tí）出“互聯網+製造業”，是希望（wàng）把個人的因素融合進來，讓（ràng）知識流動性加強，然後逐步推進“互聯網（wǎng）+製造業”，促（cù）進傳統製（zhì）造業的轉型升級，推動3D打印的快速發展。