2017年（nián），是3D打印井噴式發展的黃金時期。不論是國家政府部門，還是傳統企業，都在積極促進3D打印（yìn）與行業間的深度融合，以期推（tuī）動3D打（dǎ）印的市場應用，帶動（dòng）傳統行（háng）業（yè）的轉（zhuǎn）型升級。但是，我們也（yě）不（bú）能盲目樂觀，3D打印發展仍需要循序漸進，夯實基礎，不僅（jǐn）需要大量的（de）科研經費支持材料（liào）及技術研發，還需要統一行業標準，建立完善的產業鏈，尤其是3D打印材料的研發（fā）應用，是（shì）製約3D打印發展的關鍵因素。

 

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

目前，金屬3D打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（huà）（SLM）和激光近淨成形（LENS），其中選擇性激光熔化為研究的熱點（diǎn），其使用高能激光源，可以熔融多種金屬粉末。國內外金屬3D打印機采用的金屬粉末一般有：工（gōng）具鋼、馬氏體鋼、不鏽鋼、純鈦及（jí）鈦合金、鋁合金、鎳基（jī）合金、銅基合金、鈷鉻合金等。常用的粉體為鈦粉、鋁（lǚ）合金粉和不鏽鋼粉。

 

 

 

 

What is 金屬3D打印 ？

 

金屬3D打印是屬（shǔ）於數字熱加工的一項技術，目前（qián）製備金屬的3D打印技術主要有：選區（qū）激光熔化/燒結（SLM/SLS)、電子束選區熔化（EBSM)、激（jī）光近淨成形（LENS)等。與（yǔ）傳統工藝相比，金屬3D打（dǎ）印有直接成型，無需模具，可以實現個性化設計並製作複雜結構，高效、低消耗、低成本等（děng）優點。但是因為其是數字熱加工，變形是無法消除（chú）的，變形量需（xū）要從工藝和經（jīng）驗上去（qù）控製，最（zuì）後還要經過數控機床等技術的後期加工處理。

 

 

 

雖然說3D打印在國（guó）內近幾年熱度才升起來（lái），但就國際而言，3D打印發展早在20世紀80年代就已經興起了。國際範圍內，美國Argen Corporation(在牙科金屬材料領域尤其（qí）有實力），美國（guó）Carpenter Technology，德國Concept Laser, 英國CPM，德國EOS，意大利Legor Group，英（yīng）國LPW Technology，美國Pyrogenesis(在國防領（lǐng）域（yù）尤其擅長（zhǎng）），瑞典Sandvik，德國SLM Solutions等企業在各自的金屬打（dǎ）印領域（yù）提供了一（yī）係列的行業解決方案。相比國外，國內金屬3D打印材料大部分（fèn）依（yī）賴進口，價格昂貴，這也促使國（guó）內致力於3D打印金屬材（cái）料的企業和（hé）機（jī）構自主研（yán）發金屬3D打印材（cái）料。

 

In where 金屬3D打印材料 be used ？

 

金屬3D打（dǎ）印材料的應用領域相當廣泛（fàn），例如，石化工程應用、航空航天、汽車製（zhì）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3D打（dǎ）印材料本身（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（yìn）機的參數來衡定，每種金屬材料都有適合自身特性的極限點，包括應用（yòng）、功能、穩定性、耐久性、美觀性、經濟性都是設計師（shī）要考慮的（de）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（xiù）鋼、純鈦及（jí）鈦合金、鋁（lǚ）合（hé）金、鎳基合金、銅基合金、鈷鉻（gè）合金等。

 

1.工具鋼和馬氏體鋼

 

 

工具鋼

 

以工具鋼（gāng）和馬氏體鋼為例，工具鋼的適用性來源於其優異的硬度、耐磨性和抗形變能力，以及在高溫下保持切削刃（rèn）的能力。模具（jù）H13熱（rè）作工具鋼就（jiù）是其中一（yī）種（zhǒng），能夠承受不確定時間（jiān）的工（gōng）藝條件；馬氏（shì）體鋼，以馬氏體300為例（lì），又（yòu）稱“馬氏（shì）體時（shí）效”鋼，在時效過程中的高強度、韌（rèn）性和尺寸穩定性都是眾（zhòng）所周知的。他們與其他鋼不同，因為他們是不含碳的，屬於金屬間化合物，通過豐富的鎳、鈷和鉬的冶金反應（yīng）硬化（huà）。由於高硬（yìng）度和耐磨性，馬氏體300才適用於許多模具的應用，例如，注塑模具、輕金屬合金鑄造、衝壓和擠壓等，同時，其也廣泛應用於航（háng）空航天、高強度機身（shēn）部件和賽車零部（bù）件。

 

2.不鏽鋼

 

 

 

不鏽鋼（gāng）

 

不鏽鋼與碳鋼（gāng）不同，目前的鉻含量不同，10.5%鉻含量最（zuì）低的鋼合金，不鏽鋼不容易生鏽（xiù）腐蝕。目前，應用於金屬（shǔ）3D打（dǎ）印（yìn）的不鏽鋼（gāng）主要有（yǒu）三種：奧氏體不鏽鋼316L、馬氏體不鏽鋼15-5PH、馬氏體不鏽鋼17-4PH。

 

奧氏體（tǐ）不鏽（xiù）鋼（gāng）316L，具有高強度和耐腐（fǔ）蝕性，可在很寬的溫度範圍下降（jiàng）到低溫，可應用於（yú）航空航天（tiān）、石化等多種工程應（yīng）用，也可以用於食品加工和醫療等領域。

 

馬氏體（tǐ）不鏽鋼15-5PH，又稱馬氏體時效（沉澱硬化）不（bú）鏽鋼，具有很（hěn）高的強度、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，廣泛應用於航空航天、石化、化工（gōng）、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（gāo）強度高（gāo）韌性，而且耐腐蝕性超強，隨著激光加工狀態可以帶倆極佳的延展性。

 

3.合金

 

金屬3D打印材料應用最（zuì）為廣泛的金屬粉末合金主要（yào）有純鈦及鈦合金、鋁合金、鎳基（jī）合金、鈷鉻合金、銅基合金等。

 

純（chún）鈦（tài）及鈦合金

 

 

 

 

鈦合金整體框

鈦合金

 

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

 

鈦是鈦合金產業的關鍵。目前，應用於金屬3D打印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、低比重和生物相容性，所以在航空航天和汽車製造（zào）中具有非常理想（xiǎng）的（de）應（yīng）用，而（ér）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。鈦合金23級，純度更高，是神級一樣的牙科（kē）和醫療鈦品（pǐn）級。

 

鋁合金

 

 

鋁合金（jīn）

 

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

 

鎳基合金

 

 

一般情況下，鎳（niè）基合金都具有良好（hǎo）的抗（kàng）拉伸（shēn）、抗疲勞和抗熱疲勞（láo）性能。目前，主要有Inconel 738、Hastelloy X、Inconel 625、Inconel 713、Inconel 718等。

 

Inconel 738具有良好的高溫蠕變（biàn）斷裂強（qiáng）度，抗熱（rè）腐蝕性是較低（dī）鉻含量的超（chāo）合金，可長期暴露（lù）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。

 

Hastelloy X在高溫下具有高強度和抗氧化性，在高（gāo）達1200℃的環境中，也具有良好的延展性，目前，主要應（yīng）用於航空航天（tiān）技術中，例如燃氣（qì）輪機部件和燃燒區組件如過渡管、燃燒器罐、噴杆、排（pái）氣管、加力燃燒室等；而且還因為具有耐應力腐蝕開裂的性能，應用於工業爐、石油化（huà）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好的負（fù）載性能，而且耐腐蝕（shí）性強，廣泛應（yīng）用於（yú）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（zài）927℃的特殊斷裂強度，適（shì）用於噴氣發動機燃氣輪機（jī）葉片。

 

Inconel 718是基於鐵鎳硬化的超合金，具有良（liáng）好的耐腐蝕（shí）性及耐熱、拉伸、疲勞、蠕變性，適用於各種高端應用，例如，飛（fēi）機（jī）渦輪（lún）發動機和陸基渦輪機等。

 

鈷（gǔ）鉻合金

 

 

鈷鉻合金（jīn）具有（yǒu）高強度、耐腐（fǔ）蝕性強、良好的生物相容性以及無磁（cí）性的性能，主要應用於外科植入物包括合金人工關節、膝關節和髖關節，同時（shí）其還可用於發動機部件以及時（shí）裝、珠寶行業（yè）等。

 

銅基合金

 

 

 

青銅粉

 

應用於（yú）市場的（de）銅基合金，俗稱青銅，具有良好的（de）導熱性和（hé）導（dǎo）電性（xìng），可以結合設計自由度，產生複雜的內部結構和冷（lěng）卻（què）通道，適合（hé）冷卻更有效的工（gōng）具**模（mó）具，如半導體（tǐ）器件，也可（kě）用於微型換熱（rè）器，具有壁薄、形狀複雜的特征。

 

What problem 金屬3D打印（yìn） has ？

 

就（jiù）國內而言，在金屬3D打印領域具有較高權（quán）威的3D打印企業當屬西安鉑力特，公司一直專注於高性（xìng）能致（zhì）密金屬零件的激光立體成形製造，以及金屬（shǔ）零件的激光修複再製造，涵（hán）蓋各種鈦合金（jīn）、高溫合金（jīn）、不鏽（xiù）鋼、模具鋼、鋁合金等（děng）材料。

 

據西安鉑力（lì）特區域經理周靈峰介紹，國內的傳統製造業體量非（fēi）常巨大，產品種類琳琅滿目，而3D打印作為（wéi）一項前沿（yán）科技，遠遠談不上顛覆製造業，兩者是相輔相成、相互促進、協同發展的（de）。雖然，3D打印是一項自由結構製造的技術，但是，需要有很多（duō）加工（gōng）方法（fǎ）來規避3D打（dǎ）印後（hòu）處理的的痛點。因此（cǐ），傳統製造業所使（shǐ）用的數控機床加工技術就顯得尤為重要，其（qí）與3D打印相得益彰，不同的產品在利用（yòng）這兩種技術時可以變化主導製造流（liú）程，塑造的產品會更（gèng）加完美。

 

至（zhì）於要真正加工一（yī）個近乎（hū）完（wán）美的金屬件，設備載體固然重要，但是需要軟件、工藝、材料相互協調，當（dāng）然，用（yòng）金屬3D打印機製造零部件（jiàn）或者加工產品，首先需要熟悉材料，然後再談精密機械。而且，金屬打印，因為支撐問題，會導（dǎo）致後期零件無法加工，可能（néng）需要（yào）考慮（lǜ）更多材料成分的配比關係來**打印過程中其他因（yīn）素對材料特性的影（yǐng）響。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）件都是在極端環境下的，具有強抗腐蝕性、耐高溫、金屬強度高的特點，如果（guǒ）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？因此，熟悉材（cái）料就顯得（dé）尤為重要。

 

另外，金屬3D打印材（cái）料成本較高，一方麵是（shì）因為國內大部分的金屬3D打（dǎ）印材（cái）料依（yī）賴進口，另一方麵，前期研（yán）發金屬打印（yìn）新材料需要消耗大量的（de）科研經費及人（rén）力、物力（lì）資源。但是，開發專（zhuān）用的金（jīn）屬3D打印原材料是推動（dòng）金（jīn）屬3D打印發展（zhǎn）的必（bì）然因素，而且，這也能催生新產業的發展。

 

總結

 

內（nèi）行看門道，外行看熱鬧。就國內金屬3D打印的（de）發展現狀而言，中國還有很長的路要走。據西（xī）安鉑力特區域經理周靈峰介紹，我們看到，美國在走“互（hù）聯網+”，德國走“+互聯網”，然後中國以德為師，提出工（gōng）業4.0。但是，我們要（yào）認識到，德國具有雄厚（hòu）的工業基（jī）礎作為支撐，才提出製造（zào）業+互聯網，相（xiàng）比而言，中國的製造業基礎（chǔ）還是薄弱的，而且研究基礎也不高，這也是製約金屬3D打（dǎ）印材（cái）料發展的關鍵因素之一。現（xiàn）今國家提出“互聯網+製造業”，是希望把個人的因素融（róng）合進來，讓知識流動性加強，然後逐步推進“互聯網（wǎng）+製造業”，促進傳統製造業的轉型升級，推動3D打印的快速發展。