2017年，是3D打印井噴式（shì）發展的（de）黃金時期。不論（lùn）是國家政府部門，還是傳（chuán）統企業，都在積極促進3D打印與行業間（jiān）的（de）深度融合，以期推動3D打印的市場應用（yòng），帶動傳（chuán）統行業的轉型升（shēng）級（jí）。但是，我們也不能盲目樂（lè）觀，3D打印發展（zhǎn）仍需要循序漸進，夯實基礎，不僅需要大量（liàng）的科研經費支（zhī）持材料及（jí）技術研發，還需要統一行業標準（zhǔn），建立完善的產業鏈，尤其是3D打印材料的研（yán）發應用，是製約3D打印發展（zhǎn）的關（guān）鍵因素。

 

近幾年隨著3D打印技術的快速發展，它在航空航天、汽車、生物醫藥和建築領域的應用範圍逐步（bù）拓寬，其方便快捷、材料利用率高等優（yōu）勢不斷顯現。

目（mù）前，金屬3D打印技術（shù）主要有選擇性激光（guāng）燒結（SLS）、電子束熔融（EBM）、選擇性激光熔化（SLM）和（hé）激（jī）光（guāng）近（jìn）淨成形（LENS），其中選擇性激光熔化為研究的熱點，其使用（yòng）高能激（jī）光源，可以熔融多（duō）種（zhǒng）金屬粉末。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（bú）鏽鋼、純鈦及鈦合金（jīn）、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（hé）金（jīn）粉和不鏽鋼（gāng）粉（fěn）。

 

 

 

 

What is 金屬（shǔ）3D打印 ？

 

金屬（shǔ）3D打印是屬於（yú）數字（zì）熱加工的一項技術，目前製備（bèi）金屬的3D打（dǎ）印技（jì）術主要有：選區激光熔化（huà）/燒（shāo）結（SLM/SLS)、電子束選區熔化（EBSM)、激光近淨成形（LENS)等。與傳統（tǒng）工藝相比，金屬3D打印（yìn）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（jié）構，高效、低消耗、低成本等優點。但是因為其是（shì）數字熱加工，變形是無（wú）法消除的，變形量需要從（cóng）工藝（yì）和經驗上去控製，最後還要經過（guò）數（shù）控機（jī）床等技術的後（hòu）期（qī）加工處理。

 

 

 

雖然說3D打印在國內近幾年熱度才升起來，但就國際而言，3D打印發展早（zǎo）在20世紀80年代就已經興起了。國際範圍內，美國Argen Corporation(在牙科（kē）金屬材料領域（yù）尤其有實力），美國Carpenter Technology，德（dé）國Concept Laser, 英（yīng）國CPM，德國EOS，意大利Legor Group，英國LPW Technology，美國Pyrogenesis(在國防領域尤其擅長），瑞典Sandvik，德國（guó）SLM Solutions等企業在（zài）各自的金屬打印領域提供了一係（xì）列的行業解決方案。相（xiàng）比國外（wài），國內金屬3D打印材料大部分依賴進口，價（jià）格昂貴，這也促使國內致力於3D打（dǎ）印金屬（shǔ）材料的（de）企業和機（jī）構（gòu）自主研發（fā）金屬3D打印材料。

 

In where 金屬3D打印材料（liào） be used ？

 

金屬3D打印材料的應用領域相當廣泛，例如，石化工程應用、航空航天、汽車製造、注塑模（mó）具、輕金屬合金鑄造、食（shí）品加工、醫療（liáo）、造紙、電力工業、珠寶、時裝等。

 

但（dàn）是，因為金屬3D打印材（cái）料本身（shēn）的材料屬性，其都有（yǒu）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（héng）多個因素（sù）的過程。而且，3D打印金屬不能僅僅憑借（jiè）金屬3D打印機的參數（shù）來衡定，每種金屬材料都有適合自身特性的極限點，包括（kuò）應用、功（gōng）能、穩（wěn）定性、耐久性、美觀性、經濟性都是設（shè）計師要（yào）考慮的因素。

 

現今，國內外金屬3D打印機采用的金屬粉末一般有：工具鋼（gāng）、馬氏體（tǐ）鋼、不鏽鋼、純鈦及（jí）鈦合金、鋁合金、鎳基合金、銅基合金、鈷鉻合金等。

 

1.工具鋼和馬氏體鋼

 

 

工具（jù）鋼

 

以（yǐ）工具鋼（gāng）和馬氏體鋼為例，工具鋼（gāng）的適（shì）用性來源於（yú）其優異的（de）硬度、耐磨性和抗形變能力，以及在高溫下保持切削刃的能力。模具H13熱作工具鋼（gāng）就（jiù）是其中一種，能（néng）夠承受不確定時間（jiān）的工藝（yì）條件；馬氏體鋼，以馬（mǎ）氏（shì）體300為例，又稱“馬（mǎ）氏體時（shí）效”鋼，在時效過程中的高強度、韌（rèn）性和尺寸（cùn）穩定性都是眾所周知的。他（tā）們與其他鋼不同，因（yīn）為他們是不含碳的，屬於金屬間化合物，通（tōng）過豐富的鎳、鈷和鉬的冶金反（fǎn）應硬化。由於高（gāo）硬度和耐磨性（xìng），馬氏體300才適用於許（xǔ）多模具的應（yīng）用，例如，注塑模具、輕金（jīn）屬合金鑄造、衝壓和擠壓等，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件。

 

2.不鏽鋼

 

 

 

不鏽鋼

 

不鏽鋼與碳鋼不同，目前的（de）鉻含量不（bú）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，應用於金屬3D打印的不鏽鋼主要有三種：奧氏體不鏽鋼316L、馬氏體（tǐ）不鏽（xiù）鋼15-5PH、馬氏體（tǐ）不鏽鋼17-4PH。

 

奧氏體不鏽鋼316L，具有（yǒu）高強（qiáng）度和耐腐蝕性，可在很寬的溫度（dù）範圍下降到低（dī）溫，可應用於航空航天、石化等多種工程應用，也可以用於食品加工和醫療等領域。

 

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

 

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

 

3.合金

 

金屬3D打印材料應用最為廣泛的金屬粉末（mò）合金（jīn）主要（yào）有純鈦及鈦合金、鋁合金、鎳基合金、鈷（gǔ）鉻合金、銅基合金等。

 

純鈦及鈦（tài）合金

 

 

 

 

鈦合金整體框（kuàng）

鈦合金

 

目前應用（yòng）於市（shì）場的（de）純鈦，又稱商業純鈦，分為1級和2級粉（fěn）體，2級強於1級，對於（yú）大（dà）多數的應用同樣具有耐腐蝕性。因為純鈦2級（jí）具有良（liáng）好的生物相容性，因此在醫（yī）療行業具有廣泛的應用（yòng）前景（jǐng）。

 

鈦是鈦合金產業（yè）的關鍵。目前，應用於金屬3D打印（yìn）的鈦合金主要是鈦合（hé）金5級和（hé）鈦合金23級，因為其優異的強度和韌（rèn）性，結合耐腐蝕、低比重和生物相（xiàng）容性，所以在航空航天和（hé）汽車（chē）製造中具有非常理想的應用（yòng），而（ér）且，因為強（qiáng）度高、模量（liàng）低、耐疲勞性強，應用於生產生物醫學植入物。鈦合金23級，純度更（gèng）高，是神級（jí）一樣的牙科和醫療鈦品（pǐn）級。

 

鋁合金

 

 

鋁合金

 

目前，應（yīng）用於金屬3D打印的鋁合金主要有鋁（lǚ）矽AlSi12和AlSi10Mg兩種。鋁矽12，是具有良好的熱（rè）性能（néng）的輕質增材製造金（jīn）屬粉末，可應用於薄壁零件如換熱器或其他汽車零部件，還（hái）可應用於航（háng）空航天及航空工業級的原型及生產零部件；矽（guī）/鎂組合使鋁合金更具（jù）強度和硬度，使其適用於薄壁以及複雜的（de）幾何形（xíng）狀的零件（jiàn），尤其是在具有良好的熱性能和低重量場（chǎng）合中。

 

鎳基合金

 

 

一般情況下，鎳基合（hé）金都具有良好的抗拉伸、抗疲勞和抗熱疲勞性能。目前，主要有Inconel 738、Hastelloy X、Inconel 625、Inconel 713、Inconel 718等。

 

Inconel 738具有良（liáng）好的高溫蠕變斷裂強度，抗熱腐（fǔ）蝕性是較低鉻含量的超合金，可（kě）長期暴露於高達920-980℃的高溫腐蝕性的環境中，適用於飛機發動機、燃氣輪機（jī）。

 

Hastelloy X在高（gāo）溫下具有高強度和抗氧化性，在高達1200℃的環境（jìng）中，也具有良好的延展性，目前（qián），主要應用於航空航天技術中，例如燃氣輪機部件（jiàn）和燃燒區組件如過渡管、燃燒器罐、噴杆（gǎn）、排氣管、加（jiā）力燃燒室等；而且還因為具有耐應力腐蝕開裂（liè）的性能，應用於工業爐、石油化工及化學過程工業中。

 

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

 

Inconel 713具（jù）有（yǒu）優異的抗熱（rè）疲勞性能，以及（jí）在927℃的特殊斷裂強度，適（shì）用於噴氣（qì）發動機燃氣輪機葉片。

 

Inconel 718是基（jī）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（biàn）性，適用於各種高端（duān）應用（yòng），例如，飛機渦輪發動機和陸基渦輪機等。

 

鈷鉻（gè）合金

 

 

鈷鉻合金具有高強度、耐腐蝕（shí）性強、良好的生物相（xiàng）容性以（yǐ）及無磁性的性能，主要應用於外科植入物包括合金人工關節、膝（xī）關節和髖關（guān）節，同時其還可（kě）用於發動機部件以（yǐ）及時裝、珠（zhū）寶行業等。

 

銅（tóng）基合金

 

 

 

青銅粉

 

應用於市場的銅基合金，俗稱青銅（tóng），具有良好的導熱性和導電性，可（kě）以結合設計自（zì）由度，產生複（fù）雜的內部結構和冷卻通道，適合冷卻（què）更有效的工（gōng）具**模具，如半導體器件，也可用於微型換熱（rè）器，具有壁薄、形（xíng）狀複雜（zá）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（yè）當屬西安鉑力特，公司一直專注於（yú）高性能致密金屬零件的激光立體成形製造，以及金屬零件（jiàn）的激光修複再製造，涵蓋各種（zhǒng）鈦（tài）合金、高溫合金、不鏽鋼（gāng）、模具鋼、鋁合金（jīn）等材料。

 

據西安鉑力特區域經理周（zhōu）靈峰介紹，國內的傳統製造業體量非常巨大，產品種類琳琅滿目，而3D打印作為一（yī）項前沿科技（jì），遠遠談不上顛覆製造業，兩者是相輔相成、相互促進、協同發（fā）展的。雖然，3D打印是一項自由結構製造的技術，但（dàn）是，需要有很多加工方法來規避3D打印後處理的的（de）痛點。因（yīn）此，傳統製（zhì）造業所使用的數控機床（chuáng）加工技術就顯得尤為重要，其與3D打印相得（dé）益彰，不同的產品在（zài）利用這兩種技術時（shí）可以變化主導製造流程，塑造的（de）產品會（huì）更加完美。

 

至於要真正加工一個近乎（hū）完美的金屬件，設備載體固然重要，但是（shì）需要軟件、工藝（yì）、材料相互協（xié）調，當然，用金屬3D打印機製造零部件或者加工產品，首先需要（yào）熟悉（xī）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來**打（dǎ）印過（guò）程中其他（tā）因素對材料特性的（de）影響。以3D打印航空航（háng）天（tiān）零部件為例，航空航天（tiān）上使用（yòng）的金屬部件都是在極端環境下的，具有強抗腐蝕性、耐高溫（wēn）、金屬強度高（gāo）的特點，如果不熟悉材料特征，如何利用3D打印控製製造金屬（shǔ）零部件呢？因（yīn）此（cǐ），熟悉材料就（jiù）顯得尤（yóu）為重要。

 

另外，金屬3D打（dǎ）印材料成本較高，一方麵是因（yīn）為國內大部分的金屬3D打印材料依賴進口，另一方麵，前期研發金屬打（dǎ）印新（xīn）材料需要消耗大量的（de）科研經費及人力、物力資（zī）源。但（dàn）是，開（kāi）發專用的金屬3D打印原材料是推動金屬3D打印發展的必然因素，而（ér）且，這也能催生新產業（yè）的發展。

 

總結（jié）

 

內行看門道，外行看熱鬧。就國內金屬3D打印的發展現狀而言，中國還有很長的路要走。據西安（ān）鉑力特（tè）區域（yù）經理周靈峰介紹，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（dàn）是，我們（men）要認（rèn）識到，德國具有雄厚的工業基礎作為支撐，才提出（chū）製造（zào）業+互聯網，相比（bǐ）而言，中國的製造業基（jī）礎還是薄弱的，而且研究基礎也不高，這也是製約金屬3D打印材料發展的關鍵因素之一。現今國（guó）家提出“互聯網+製（zhì）造業”，是希望把個人的因素融合進來，讓知識流動性加強，然後逐步推進“互聯網+製造業”，促進傳統製造業的轉型（xíng）升級，推動3D打印的快速發（fā）展。