3D打印是20世纪80年代出现的一项先进制造技术，并在近十多年来得到越来越多国家和产业界的重视。但是，3D打印技术却并未如很多人期望的那样，在短期内迅速发展起来，替代现有制造技术。导致这​种局面的原因，除了该技术本身的成熟度需要不断改进等因素外，另一个重要原因在于，3D打印需要的材料制备与现有材料有很大的不同。传统制造使用的原材料已经有成千上万种，而目前能够被用于3D打印的材料品种少，质量规格不齐全，严重地制约了3D打印行业的发展。20世纪90年代，国外开始出现金属3D打印技术，并开发出金属3D打印机和金属3D打印材料，这一技术的出现，突破了3D打印在金属应用领域的限制，使得3D打印进入了一个新的里程碑。近十年来，我国金属3D打印技术也获得了突破性进展，研发出具有自主知识产权的金属3D打印机和金属材料。

今天我们就一起认识一下金属3D打印。

什么是金属3D打印？

金属3D打印是属于数字热加工的一项技术，目前制备金属的3D打印技术主要有：选区激光熔化/烧结（SLM/SLS)、电子束选区熔化（EBSM)、激光近净成形（LENS)等。与传统工艺相比，金属3D打印有直接成型，无需模具，可以实现个性化设计并制作复杂结构，高效、低消耗、低成本等优点。但是因为其是数字热加工，变形是无法消除的，变形量需要从工艺和经验上去控制，最后还要经过数控机床等技术的后期加工处理。

金属3D打印材料的应用

金属3D打印材料的应用领域相当广泛，例如，石化工程应用、航空航天、汽车制造、注塑模具、轻金属合金铸造、食品加工、医疗、造纸、电力工业、珠宝、时装等。

但是，因为金属3D打印材料本身的材料属性，其都有特定的应用领域范围，因此，金属3D打印材料选择的过程是一个权衡多个因素的过程。而且，3D打印金属不能仅仅凭借金属3D打印机的参数来衡定，每种金属材料都有适合自身特性的极限点，包括应用、功能、稳定性、耐久性、美观性、经济性都是设计师要考虑的因素。

金属3D打印材料的主要种类

现今，国内外金属3D打印机采用的金属粉末一般有：工具钢、马氏体钢、不锈钢、纯钛及钛合金、铝合金、镍基合金、铜基合金、钴铬合金等。

1.工具钢和马氏体钢

以工具钢和马氏体钢为例，工具钢的适用性来源于其优异的硬度、耐磨性和抗形变能力，以及在高温下保持切削刃的能力。模具H13热作工具钢就是其中一种，能够承受不确定时间的工艺条件；马氏体钢，以马氏体300为例，又称“马氏体时效”钢，在时效过程中的高强度、韧性和尺寸稳定性都是众所周知的。他们与其他钢不同，因为他们是不含碳的，属于金属间化合物，通过丰富的镍、钴和钼的冶金反应硬化。由于高硬度和耐磨性，马氏体300才适用于许多模具的应用，例如，注塑模具、轻金属合金铸造、冲压和挤压等，同时，其也广泛应用于航空航天、高强度机身部件和赛车零部件。

   2.不锈钢

不锈钢与碳钢不同，目前的铬含量不同，10.5%铬含量最低的钢合金，不锈钢不容易生锈腐蚀。目前，应用于金属3D打印的不锈钢主要有三种：奥氏体不锈钢316L、马氏体不锈钢15-5PH、马氏体不锈钢17-4PH。

奥氏体不锈钢316L，具有高强度和耐腐蚀性，可在很宽的温度范围下降到低温，可应用于航空航天、石化等多种工程应用，也可以用于食品加工和医疗等领域。

马氏体不锈钢15-5PH，又称马氏体时效（沉淀硬化）不锈钢，具有很高的强度、良好的韧性、耐腐蚀性，而且可以进一步的硬化，是无铁素体。目前，广泛应用于航空航天、石化、化工、食品加工、造纸和金属加工业。

马氏体不锈钢17-4PH，在高达315℃下仍具有高强度高韧性，而且耐腐蚀性超强，随着激光加工状态可以带来极佳的延展性。

3.合金

金属3D打印材料应用最为广泛的金属粉末合金主要有纯钛及钛合金、铝合金、镍基合金、钴铬合金、铜基合金等。

1）纯钛及钛合金

目前应用于市场的纯钛，又称商业纯钛，分为1级和2级粉体，2级强于1级，对于大多数的应用同样具有耐腐蚀性。因为纯钛2级具有良好的生物相容性，因此在医疗行业具有广泛的应用前景。

钛是钛合金产业的关键。目前，应用于金属3D打印的钛合金主要是钛合金5级和钛合金23级，因为其优异的强度和韧性，结合耐腐蚀、低比重和生物相容性，所以在航空航天和汽车制造中具有非常理想的应用，而且，因为强度高、模量低、耐疲劳性强，应用于生产生物医学植入物。钛合金23级，纯度更高，是神级一样的牙科和医疗钛品级。

2）铝合金

目前，应用于金属3D打印的铝合金主要有铝硅AlSi12和AlSi10Mg两种。铝硅12，是具有良好的热性能的轻质增材制造金属粉末，可应用于薄壁零件如换热器或其他汽车零部件，还可应用于航空航天及航空工业级的原型及生产零部件；硅/镁组合使铝合金更具强度和硬度，使其适用于薄壁以及复杂的几何形状的零件，尤其是在具有良好的热性能和低重量场合中。

3）镍基合金

一般情况下，镍基合金都具有良好的抗拉伸、抗疲劳和抗热疲劳性能。目前，主要有Inconel 738、Hastelloy X、Inconel 625、Inconel 713、Inconel 718等。

Inconel 738具有良好的高温蠕变断裂强度，抗热腐蚀性是较低铬含量的超合金，可长期暴露于高达920-980℃的高温腐蚀性的环境中，适用于飞机发动机、燃气轮机。

Hastelloy X在高温下具有高强度和抗氧化性，在高达1200℃的环境中，也具有良好的延展性，目前，主要应用于航空航天技术中，例如燃气轮机部件和燃烧区组件如过渡管、燃烧器罐、喷杆、排气管、加力燃烧室等；而且还因为具有耐应力腐蚀开裂的性能，应用于工业炉、石油化工及化学过程工业中。

Inconel 625在高温约815℃的条件下依然具有良好的负载性能，而且耐腐蚀性强，广泛应用于航空航天、化工及电力工业中。

Inconel 713具有优异的抗热疲劳性能，以及在927℃的特殊断裂强度，适用于喷气发动机燃气轮机叶片。

Inconel 718是基于铁镍硬化的超合金，具有良好的耐腐蚀性及耐热、拉伸、疲劳、蠕变性，适用于各种高端应用，例如，飞机涡轮发动机和陆基涡轮机等。

4）钴铬合金

钴铬合金具有高强度、耐腐蚀性强、良好的生物相容性以及无磁性的性能，主要应用于外科植入物包括合金人工关节、膝关节和髋关节，同时其还可用于发动机部件以及时装、珠宝行业等。

5）铜基合金

应用于市场的铜基合金，俗称青铜，具有良好的导热性和导电性，可以结合设计自由度，产生复杂的内部结构和冷却通道，适合冷却更有效的工具插入模具，如半导体器件，也可用于微型换热器，具有壁薄、形状复杂的特征。

金属3D打印发展存在哪些难点？

首先，3D打印虽然是一项自由结构制造的技术，但是，需要有很多加工方法来规避3D打印后处理的难题。需要使用传统制造业的数控机床加工技术，解决3D打印后处理过程中的不足。

第二，金属打印由于支撑问题，会导致后期零件无法加工。3D打印由于采用的是材料层层叠加的技术，生产过程中，某些部件部位由于重力原因可能出现变形，因此需要支撑材料。某些复杂构件的内腔等部位使用这些支撑材料成型后，支撑材料不易去除，是金属3D打印需要解决的一个重要问题。

第三，需要熟悉材料。金属材料种类繁多，不同的材料具有不同的属性，应用范围不同。以3D打印航空航天零部件为例，航空航天上使用的金属部件都是在极端环境下的，具有强抗腐蚀性、耐高温、金属强度高的特点，如果不熟悉材料特征，就不能很好地利用3D打印控制制造金属零部件。

第四，金属3D打印材料成本较高，制约了该技术的普及推广。成本高企的原因主要有两方面，一方面是因为国内大部分的金属3D打印材料依赖进口，另一方面，前期研发金属打印新材料需要投入大量的科研经费及人力、物力资源。但是，开发专用的金属3D打印原材料是推动金属3D打印发展的必然要求，而且，也是完善3D打印产业链的必然趋势。

总结

3D打印技术、机器人技术等新兴技术是我国“中国制造2025”的重要组成部分，是实现我国工业现代化的重要因素。3D打印在未来具有广阔的应用前景，可以应用于几乎各行各业，正如目前已经提出并得到广泛推广的“互联网+”技术一样，随着3D打印技术的发展成熟，未来现代制造业可能出现“3D打印+”的局面，3D打印也将不仅局限于工业制造领域，在文化创意领域、设计领域等等也将得到更广泛的应用，甚至可能走进千家万户，成为日常生活中的一部分，消费者根据自己的需求，随时生产自己想要的物品。金属3D打印突破了材料领域的限制，赋予了3D打印更加鲜明的工业制造特征，必将得到更广泛的应用和关注。（来源网络）

转载自上海增材制造协会