3D打印是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)，并在近十多年來得到越來越多國(guó)家和產(chǎn)業(yè)界的重視。但是，3D打印技術(shù)卻并未如很多人期望的那樣，在短期內(nèi)迅速發(fā)展起來，替代現(xiàn)有制造技術(shù)。導(dǎo)致這種局面的原因，除了該技術(shù)本身的成熟度需要不斷改進(jìn)等因素外，另一個(gè)重要原因在于，3D打印需要的材料制備與現(xiàn)有材料有很大的不同。傳統(tǒng)制造使用的原材料已經(jīng)有成千上萬種，而目前能夠被用于3D打印的材料品種少，質(zhì)量規(guī)格不齊全，嚴(yán)重地制約了3D打印行業(yè)的發(fā)展。20世紀(jì)90年代，國(guó)外開始出現(xiàn)金屬3D打印技術(shù)，并開發(fā)出金屬3D打印機(jī)和金屬3D打印材料，這一技術(shù)的出現(xiàn)，突破了3D打印在金屬應(yīng)用領(lǐng)域的限制，使得3D打印進(jìn)入了一個(gè)新的里程碑。近十年來，我國(guó)金屬3D打印技術(shù)也獲得了突破性進(jìn)展，研發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的金屬3D打印機(jī)和金屬材料。

今天我們就一起認(rèn)識(shí)一下金屬3D打印。

什么是金屬3D打?。?/span>

金屬3D打印是屬于數(shù)字熱加工的一項(xiàng)技術(shù)，目前制備金屬的3D打印技術(shù)主要有：選區(qū)激光熔化/燒結(jié)（SLM/SLS)、電子束選區(qū)熔化（EBSM)、激光近凈成形（LENS)等。與傳統(tǒng)工藝相比，金屬3D打印有直接成型，無需模具，可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化設(shè)計(jì)并制作復(fù)雜結(jié)構(gòu)，高效、低消耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)。但是因?yàn)槠涫菙?shù)字熱加工，變形是無法消除的，變形量需要從工藝和經(jīng)驗(yàn)上去控制，最后還要經(jīng)過數(shù)控機(jī)床等技術(shù)的后期加工處理。

金屬3D打印材料的應(yīng)用

金屬3D打印材料的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，例如，石化工程應(yīng)用、航空航天、汽車制造、注塑模具、輕金屬合金鑄造、食品加工、醫(yī)療、造紙、電力工業(yè)、珠寶、時(shí)裝等。

但是，因?yàn)榻饘?D打印材料本身的材料屬性，其都有特定的應(yīng)用領(lǐng)域范圍，因此，金屬3D打印材料選擇的過程是一個(gè)權(quán)衡多個(gè)因素的過程。而且，3D打印金屬不能僅僅憑借金屬3D打印機(jī)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(diǎn)，包括應(yīng)用、功能、穩(wěn)定性、耐久性、美觀性、經(jīng)濟(jì)性都是設(shè)計(jì)師要考慮的因素。

金屬3D打印材料的主要種類

現(xiàn)今，國(guó)內(nèi)外金屬3D打印機(jī)采用的金屬粉末一般有：工具鋼、馬氏體鋼、不銹鋼、純鈦及鈦合金、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

以工具鋼和馬氏體鋼為例，工具鋼的適用性來源于其優(yōu)異的硬度、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熱作工具鋼就是其中一種，能夠承受不確定時(shí)間的工藝條件；馬氏體鋼，以馬氏體300為例，又稱“馬氏體時(shí)效”鋼，在時(shí)效過程中的高強(qiáng)度、韌性和尺寸穩(wěn)定性都是眾所周知的。他們與其他鋼不同，因?yàn)樗麄兪遣缓嫉模瑢儆诮饘匍g化合物，通過豐富的鎳、鈷和鉬的冶金反應(yīng)硬化。由于高硬度和耐磨性，馬氏體300才適用于許多模具的應(yīng)用，例如，注塑模具、輕金屬合金鑄造、沖壓和擠壓等，同時(shí)，其也廣泛應(yīng)用于航空航天、高強(qiáng)度機(jī)身部件和賽車零部件。

? ?2.不銹鋼

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不銹鋼與碳鋼不同，目前的鉻含量不同，10.5%鉻含量最低的鋼合金，不銹鋼不容易生銹腐蝕。目前，應(yīng)用于金屬3D打印的不銹鋼主要有三種：奧氏體不銹鋼316L、馬氏體不銹鋼15-5PH、馬氏體不銹鋼17-4PH。

奧氏體不銹鋼316L，具有高強(qiáng)度和耐腐蝕性，可在很寬的溫度范圍下降到低溫，可應(yīng)用于航空航天、石化等多種工程應(yīng)用，也可以用于食品加工和醫(yī)療等領(lǐng)域。

馬氏體不銹鋼15-5PH，又稱馬氏體時(shí)效（沉淀硬化）不銹鋼，具有很高的強(qiáng)度、良好的韌性、耐腐蝕性，而且可以進(jìn)一步的硬化，是無鐵素體。目前，廣泛應(yīng)用于航空航天、石化、化工、食品加工、造紙和金屬加工業(yè)。

馬氏體不銹鋼17-4PH，在高達(dá)315℃下仍具有高強(qiáng)度高韌性，而且耐腐蝕性超強(qiáng)，隨著激光加工狀態(tài)可以帶來極佳的延展性。

3.合金

金屬3D打印材料應(yīng)用最為廣泛的金屬粉末合金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

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目前應(yīng)用于市場(chǎng)的純鈦，又稱商業(yè)純鈦，分為1級(jí)和2級(jí)粉體，2級(jí)強(qiáng)于1級(jí)，對(duì)于大多數(shù)的應(yīng)用同樣具有耐腐蝕性。因?yàn)榧冣?級(jí)具有良好的生物相容性，因此在醫(yī)療行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。

鈦是鈦合金產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵。目前，應(yīng)用于金屬3D打印的鈦合金主要是鈦合金5級(jí)和鈦合金23級(jí)，因?yàn)槠鋬?yōu)異的強(qiáng)度和韌性，結(jié)合耐腐蝕、低比重和生物相容性，所以在航空航天和汽車制造中具有非常理想的應(yīng)用，而且，因?yàn)閺?qiáng)度高、模量低、耐疲勞性強(qiáng)，應(yīng)用于生產(chǎn)生物醫(yī)學(xué)植入物。鈦合金23級(jí)，純度更高，是神級(jí)一樣的牙科和醫(yī)療鈦品級(jí)。

2）鋁合金

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目前，應(yīng)用于金屬3D打印的鋁合金主要有鋁硅AlSi12和AlSi10Mg兩種。鋁硅12，是具有良好的熱性能的輕質(zhì)增材制造金屬粉末，可應(yīng)用于薄壁零件如換熱器或其他汽車零部件，還可應(yīng)用于航空航天及航空工業(yè)級(jí)的原型及生產(chǎn)零部件；硅/鎂組合使鋁合金更具強(qiáng)度和硬度，使其適用于薄壁以及復(fù)雜的幾何形狀的零件，尤其是在具有良好的熱性能和低重量場(chǎng)合中。

3）鎳基合金

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一般情況下，鎳基合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具有良好的高溫蠕變斷裂強(qiáng)度，抗熱腐蝕性是較低鉻含量的超合金，可長(zhǎng)期暴露于高達(dá)920-980℃的高溫腐蝕性的環(huán)境中，適用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)。

Hastelloy X在高溫下具有高強(qiáng)度和抗氧化性，在高達(dá)1200℃的環(huán)境中，也具有良好的延展性，目前，主要應(yīng)用于航空航天技術(shù)中，例如燃?xì)廨啓C(jī)部件和燃燒區(qū)組件如過渡管、燃燒器罐、噴桿、排氣管、加力燃燒室等；而且還因?yàn)榫哂心蛻?yīng)力腐蝕開裂的性能，應(yīng)用于工業(yè)爐、石油化工及化學(xué)過程工業(yè)中。

Inconel 625在高溫約815℃的條件下依然具有良好的負(fù)載性能，而且耐腐蝕性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于航空航天、化工及電力工業(yè)中。

Inconel 713具有優(yōu)異的抗熱疲勞性能，以及在927℃的特殊斷裂強(qiáng)度，適用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)葉片。

Inconel 718是基于鐵鎳硬化的超合金，具有良好的耐腐蝕性及耐熱、拉伸、疲勞、蠕變性，適用于各種高端應(yīng)用，例如，飛機(jī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和陸基渦輪機(jī)等。

4）鈷鉻合金

鈷鉻合金具有高強(qiáng)度、耐腐蝕性強(qiáng)、良好的生物相容性以及無磁性的性能，主要應(yīng)用于外科植入物包括合金人工關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)，同時(shí)其還可用于發(fā)動(dòng)機(jī)部件以及時(shí)裝、珠寶行業(yè)等。

5）銅基合金

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應(yīng)用于市場(chǎng)的銅基合金，俗稱青銅，具有良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，可以結(jié)合設(shè)計(jì)自由度，產(chǎn)生復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和冷卻通道，適合冷卻更有效的工具插入模具，如半導(dǎo)體器件，也可用于微型換熱器，具有壁薄、形狀復(fù)雜的特征。

金屬3D打印發(fā)展存在哪些難點(diǎn)？

首先，3D打印雖然是一項(xiàng)自由結(jié)構(gòu)制造的技術(shù)，但是，需要有很多加工方法來規(guī)避3D打印后處理的難題。需要使用傳統(tǒng)制造業(yè)的數(shù)控機(jī)床加工技術(shù)，解決3D打印后處理過程中的不足。

第二，金屬打印由于支撐問題，會(huì)導(dǎo)致后期零件無法加工。3D打印由于采用的是材料層層疊加的技術(shù)，生產(chǎn)過程中，某些部件部位由于重力原因可能出現(xiàn)變形，因此需要支撐材料。某些復(fù)雜構(gòu)件的內(nèi)腔等部位使用這些支撐材料成型后，支撐材料不易去除，是金屬3D打印需要解決的一個(gè)重要問題。

第三，需要熟悉材料。金屬材料種類繁多，不同的材料具有不同的屬性，應(yīng)用范圍不同。以3D打印航空航天零部件為例，航空航天上使用的金屬部件都是在極端環(huán)境下的，具有強(qiáng)抗腐蝕性、耐高溫、金屬?gòu)?qiáng)度高的特點(diǎn)，如果不熟悉材料特征，就不能很好地利用3D打印控制制造金屬零部件。

第四，金屬3D打印材料成本較高，制約了該技術(shù)的普及推廣。成本高企的原因主要有兩方面，一方面是因?yàn)閲?guó)內(nèi)大部分的金屬3D打印材料依賴進(jìn)口，另一方面，前期研發(fā)金屬打印新材料需要投入大量的科研經(jīng)費(fèi)及人力、物力資源。但是，開發(fā)專用的金屬3D打印原材料是推動(dòng)金屬3D打印發(fā)展的必然要求，而且，也是完善3D打印產(chǎn)業(yè)鏈的必然趨勢(shì)。

總結(jié)

3D打印技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)等新興技術(shù)是我國(guó)“中國(guó)制造2025”的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)工業(yè)現(xiàn)代化的重要因素。3D打印在未來具有廣闊的應(yīng)用前景，可以應(yīng)用于幾乎各行各業(yè)，正如目前已經(jīng)提出并得到廣泛推廣的“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)一樣，隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展成熟，未來現(xiàn)代制造業(yè)可能出現(xiàn)“3D打印+”的局面，3D打印也將不僅局限于工業(yè)制造領(lǐng)域，在文化創(chuàng)意領(lǐng)域、設(shè)計(jì)領(lǐng)域等等也將得到更廣泛的應(yīng)用，甚至可能走進(jìn)千家萬戶，成為日常生活中的一部分，消費(fèi)者根據(jù)自己的需求，隨時(shí)生產(chǎn)自己想要的物品。金屬3D打印突破了材料領(lǐng)域的限制，賦予了3D打印更加鮮明的工業(yè)制造特征，必將得到更廣泛的應(yīng)用和關(guān)注。（來源網(wǎng)絡(luò)）

轉(zhuǎn)載自上海增材制造協(xié)會(huì)

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