據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)分析報(bào)告顯示，未來(lái)市場(chǎng)3D復(fù)合打印材料的規(guī)模將不斷增加，金屬材料的應(yīng)用也會(huì)逐年上升，預(yù)計(jì)2022年復(fù)合材料有望達(dá)到1.11億美元，3D打印金屬材料的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到8億美元，金屬材料的研發(fā)生產(chǎn)將有更廣闊的市場(chǎng)空間。

今天，小編就為大家整理了有關(guān)金屬3D打印材料、技術(shù)以及應(yīng)用等方面的內(nèi)容~

一、金屬3D打印材料

與普通材料不同的是，3D打印材料需要應(yīng)用特有的技術(shù)進(jìn)行制備，來(lái)滿(mǎn)足3D打印產(chǎn)品及3D打印設(shè)備對(duì)材料的特殊要求。根據(jù)所使用的3D打印技術(shù)的不同、制造的零件用途不同，所需要的材料也不相同。

金屬3D打印材料主要有粉末形式和絲材形式。粉末材料是最常用的材料，主要材質(zhì)包括鈷基合金、不銹鋼、工具鋼、模具鋼、鎳基合金、鈦及鈦合金，以及各系鋁合金等。

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(lái)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。馬氏體鋼，以馬氏體300為例，又稱(chēng)“馬氏體時(shí)效”鋼，在時(shí)效過(guò)程中的高強(qiáng)度、韌性和尺寸穩(wěn)定性都是眾所周知的。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(chē)零部件。

2.不銹鋼

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(chēng)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(wú)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(lái)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

目前應(yīng)用于市場(chǎng)的純鈦，又稱(chēng)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(chē)制造中具有非常理想的應(yīng)用，而且，因?yàn)閺?qiáng)度高、耐疲勞性強(qiáng)，應(yīng)用于生產(chǎn)生物醫(yī)學(xué)植入物。

（2）鋁合金

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(chē)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

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(guò)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(kāi)裂的性能，應(yīng)用于工業(yè)爐、石油化工及化學(xué)過(guò)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(wú)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

應(yīng)用于市場(chǎng)的銅基合金，俗稱(chēng)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。

二、金屬3D打印技術(shù)

現(xiàn)在主流的金屬3D打印技術(shù)有：選擇性激光熔化（SLM）、激光近凈成型（LENS）和電子束選區(qū)熔化（EBSM）技術(shù)、直接能量沉積（DED）技術(shù)等。

1、SLM（選擇性激光熔化技術(shù) ）

SLM是目前金屬3D打印成型中最普遍的技術(shù)，其工作原理為:計(jì)算機(jī)將物體的三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為一層層截面 2D數(shù)據(jù)并傳輸給打印機(jī)，打印過(guò)程中，在基板上用刮刀鋪上設(shè)定層厚的金屬粉末，聚焦的激光在掃描振鏡的控制下按照事先規(guī)劃好的路徑與工藝參數(shù)進(jìn)行掃描，金屬粉末在高能量激光的照射下其發(fā)生熔化，快速凝固，形成冶金結(jié)合層。當(dāng)一層打印任務(wù)結(jié)束后， 基板下降一個(gè)切片層厚高度，刮刀繼續(xù)進(jìn)行粉末鋪平，激光掃描加工，重復(fù)這樣的過(guò)程直至整個(gè)零件打印結(jié)束。

該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可以廣泛應(yīng)用于復(fù)雜形狀的金屬零件的批量生產(chǎn)，而且大多數(shù)金屬粉末都適用于這種技術(shù)，包括鈦合金、鋁合金、高溫合金、銅合金、鈷鉻合金、 不銹鋼、高強(qiáng)鋼、模具鋼等，得到的零件致密度幾近100%。

2、LENS（激光熔覆沉積技術(shù)）

LENS是一種基于同軸送粉的，激光束在控制下，按照預(yù)先設(shè)定的路徑，進(jìn)行移動(dòng)；同時(shí)，粉末噴嘴將金屬粉末直接輸送到激光光斑下，使之由點(diǎn)到線、由線到面的順序凝固，從而完成一個(gè)層截面的打印工作，這樣層層疊加，制造出的零部件實(shí)體。使用該技術(shù)的打印機(jī)通常會(huì)與相應(yīng)的CNC銑削單元混合使用。

與SLM最大不同在于，其粉末通過(guò)噴嘴聚集到工作臺(tái)面，與激光匯于一點(diǎn)，粉末熔化冷卻后獲得堆積的熔覆實(shí)體。

3、EBSM/EBM（電子束選區(qū)熔化技術(shù)）

EBM是通過(guò)在真空環(huán)境下使用電子束掃描、熔化粉末材料，逐層沉積制造3D金屬零件的工藝。EBM的電子束輸出能量通常比SLM的激光輸出功率大一個(gè)數(shù)量級(jí)，掃描速度也遠(yuǎn)高于SLM，因此EBM在構(gòu)建過(guò)程中，需要對(duì)造型臺(tái)整體進(jìn)行預(yù)熱，防止成型過(guò)程中溫度過(guò)大而帶來(lái)較大的殘余應(yīng)力。相對(duì)于SLM技術(shù)加工效率更高，成本也更低，但技術(shù)難度相對(duì)更高。

4、DED（直接能量沉積技術(shù)）

由激光或其他能量源在沉積區(qū)域產(chǎn)生熔池并高速移動(dòng)，材料以粉末或絲狀直接送入高溫熔區(qū)，熔化后逐層沉積，稱(chēng)之為激光直接能量沉積增材制造技術(shù)。由于打印輸出不在平坦的粉末床中完成，所以直接能量沉積技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是它可以在修復(fù)現(xiàn)有物體的同時(shí)制造出一個(gè)新的物體。雖然用這種技術(shù)生產(chǎn)的物體需要進(jìn)行一定程度的表面處理（如用機(jī)器進(jìn)行拋光），但它們也能作為致密的金屬零件直接使用。

三、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(chē)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(guò)程是一個(gè)權(quán)衡多個(gè)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(jī)的參數(shù)來(lái)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。