金屬3D打印解析

　　金屬3D打印是屬于數字熱加工的一項技術，目前制備金屬的3D打印技術主要有：選區激光熔化/燒結（SLM/SLS)、電子束選區熔化（EBSM)、激光近凈成形（LENS)等。與傳統工藝相比，金屬3D打印有直接成型，無需模具，可以實現個性化設計并制作復雜結構，高效、低消耗、低成本等優點。但是因為其是數字熱加工，變形是無法消除的，變形量需要從工藝和經驗上去控制，最后還要經過數控機床等技術的后期加工處理。

　　金屬3D打印代表企業

　　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打印發展早在20世紀80年代就已經興起了。國際范圍內，美國Argen Corporation(在牙科金屬材料領域尤其有實力），美國Carpenter Technology，德國Concept Laser， 英國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SLM Solutions等企業在各自的金屬打印領域提供了一系列的行業解決方案。相比國外，國內金屬3D打印材料大部分依賴進口，價格昂貴，這也促使國內致力于3D打印金屬材料的企業和機構自主研發金屬3D打印材料。

　　金屬3D打印材料應用領域

　　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、汽車制造、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、時裝等。

　　但是，因為金屬3D打印材料本身的材料屬性，其都有特定的應用領域范圍，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、功能、穩定性、耐久性、美觀性、經濟性都是設計師要考慮的因素。

　　現今，國內外金屬3D打印機采用的金屬粉末一般有：工具鋼、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，能夠承受不確定時間的工藝條件；馬氏體鋼，以馬氏體300為例，又稱“馬氏體時效”鋼，在時效過程中的高強度、韌性和尺寸穩定性都是眾所周知的。他們與其他鋼不同，因為他們是不含碳的，屬于金屬間化合物，通過豐富的鎳、鈷和鉬的冶金反應硬化。由于高硬度和耐磨性，馬氏體300才適用于許多模具的應用，例如，注塑模具、輕金屬合金鑄造、沖壓和擠壓等，同時，其也廣泛應用于航空航天、高強度機身部件和賽車零部件。

　　2、不銹鋼

　　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，具有高強度和耐腐蝕性，可在很寬的溫度范圍下降到低溫，可應用于航空航天、石化等多種工程應用，也可以用于食品加工和醫療等領域。

　　馬氏體不銹鋼15-5PH，又稱馬氏體時效（沉淀硬化）不銹鋼，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化，是無鐵素體。目前，廣泛應用于航空航天、石化、化工、食品加工、造紙和金屬加工業。

　　馬氏體不銹鋼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帶倆極佳的延展性。

　　3、合金

　　1）純鈦及鈦合金

　　金屬3D打印材料應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。

　　目前應用于市場的純鈦，又稱商業純鈦，分為1級和2級粉體，2級強于1級，對于大多數的應用同樣具有耐腐蝕性。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，應用于金屬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制造中具有非常理想的應用，而且，因為強度高、模量低、耐疲勞性強，應用于生產生物醫學植入物。鈦合金23級，純度更高，是神級一樣的牙科和醫療鈦品級。

　　2）鋁合金

　　目前，應用于金屬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增材制造金屬粉末，可應用于薄壁零件如換熱器或其他汽車零部件，還可應用于航空航天及航空工業級的原型及生產零部件；硅/鎂組合使鋁合金更具強度和硬度，使其適用于薄壁以及復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度，抗熱腐蝕性是較低鉻含量的超合金，可長期暴露于高達920-980℃的高溫腐蝕性的環境中，適用于飛機發動機、燃氣輪機。

　　Hastelloy X在高溫下具有高強度和抗氧化性，在高達1200℃的環境中，也具有良好的延展性，目前，主要應用于航空航天技術中，例如燃氣輪機部件和燃燒區組件如過渡管、燃燒器罐、噴桿、排氣管、加力燃燒室等；而且還因為具有耐應力腐蝕開裂的性能，應用于工業爐、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好的負載性能，而且耐腐蝕性強，廣泛應用于航空航天、化工及電力工業中。

　　Inconel 713具有優異的抗熱疲勞性能，以及在927℃的特殊斷裂強度，適用于噴氣發動機燃氣輪機葉片。

　　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，適用于各種高端應用，例如，飛機渦輪發動機和陸基渦輪機等。

　　4）鈷鉻合金

　　鈷鉻合金具有高強度、耐腐蝕性強、良好的生物相容性以及無磁性的性能，主要應用于外科植入物包括合金人工關節、膝關節和髖關節，同時其還可用于發動機部件以及時裝、珠寶行業等。

　　5）銅基合金

　　青銅粉

　　應用于市場的銅基合金，俗稱青銅，具有良好的導熱性和導電性，可以結合設計自由度，產生復雜的內部結構和冷卻通道，適合冷卻更有效的工具插入模具，如半導體器件，也可用于微型換熱器，具有壁薄、形狀復雜的特征。

金屬3D打印面臨的問題

　　西安鉑力特區域經理周靈峰介紹，國內的傳統制造業體量非常巨大，產品種類琳瑯滿目，而3D打印作為一項前沿科技，遠遠談不上顛覆制造業，兩者是相輔相成、相互促進、協同發展的。雖然，3D打印是一項自由結構制造的技術，但是，需要有很多加工方法來規避3D打印后處理的的痛點。因此，傳統制造業所使用的數控機床加工技術就顯得尤為重要，其與3D打印相得益彰，不同的產品在利用這兩種技術時可以變化主導制造流程，塑造的產品會更加完美。

　　至于要真正加工一個近乎完美的金屬件，設備載體固然重要，但是需要軟件、工藝、材料相互協調，當然，用金屬3D打印機制造零部件或者加工產品，首先需要熟悉材料，然后再談精密機械。而且，金屬打印，因為支撐問題，會導致后期零件無法加工，可能需要考慮更多材料成分的配比關系來迎合打印過程中其他因素對材料特性的影響。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境下的，具有強抗腐蝕性、耐高溫、金屬強度高的特點，如果不熟悉材料特征，如何利用3D打印控制制造金屬零部件呢？因此，熟悉材料就顯得尤為重要。

　　另外，金屬3D打印材料成本較高，一方面是因為國內大部分的金屬3D打印材料依賴進口，另一方面，前期研發金屬打印新材料需要消耗大量的科研經費及人力、物力資源。但是，開發專用的金屬3D打印原材料是推動金屬3D打印發展的必然因素，而且，這也能催生新產業的發展。

　方圓激光摘錄

2015-112601