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什么是金屬3D打印？
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(wú)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(wú)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(guò)數(shù)控機(jī)床等技術(shù)的后期加工處理。
金屬3D打印代表企業(yè)
雖然說(shuō)3D打印在國(guó)內(nèi)近幾年熱度才升起來(lái)，但就國(guó)際而言，3D打印發(fā)展早在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)興起了。國(guó)際范圍內(nèi)，美國(guó)Argen Corporation(在牙科金屬材料領(lǐng)域尤其有實(shí)力），美國(guó)Carpenter Technology，德國(guó)Concept Laser， 英國(guó)CPM，德國(guó)EOS，意大利Legor Group，英國(guó)LPW Technology，美國(guó)Pyrogenesis(在國(guó)防領(lǐng)域尤其擅長(zhǎng)），瑞典Sandvik，德國(guó)SLM Solutions等企業(yè)在各自的金屬打印領(lǐng)域提供了一系列的行業(yè)解決方案。相比國(guó)外，國(guó)內(nèi)金屬3D打印材料大部分依賴進(jìn)口，價(jià)格昂貴，這也促使國(guó)內(nèi)致力于3D打印金屬材料的企業(yè)和機(jī)構(gòu)自主研發(fā)金屬3D打印材料。
金屬3D打印材料應(yīng)用領(lǐng)域
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(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。
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(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。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(guò)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(guò)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
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(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(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。
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
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
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(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
青銅粉
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打印面臨的問(wèn)題
西安鉑力特區(qū)域經(jīng)理周靈峰介紹，國(guó)內(nèi)的傳統(tǒng)制造業(yè)體量非常巨大，產(chǎn)品種類琳瑯滿目，而3D打印作為一項(xiàng)前沿科技，遠(yuǎn)遠(yuǎn)談不上顛覆制造業(yè)，兩者是相輔相成、相互促進(jìn)、協(xié)同發(fā)展的。雖然，3D打印是一項(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(lái)規(guī)避3D打印后處理的的痛點(diǎn)。因此，傳統(tǒng)制造業(yè)所使用的數(shù)控機(jī)床加工技術(shù)就顯得尤為重要，其與3D打印相得益彰，不同的產(chǎn)品在利用這兩種技術(shù)時(shí)可以變化主導(dǎo)制造流程，塑造的產(chǎn)品會(huì)更加完美。
至于要真正加工一個(gè)近乎完美的金屬件，設(shè)備載體固然重要，但是需要軟件、工藝、材料相互協(xié)調(diào)，當(dāng)然，用金屬3D打印機(jī)制造零部件或者加工產(chǎn)品，首先需要熟悉材料，然后再談精密機(jī)械。而且，金屬打印，因?yàn)橹螁?wèn)題，會(huì)導(dǎo)致后期零件無(wú)法加工，可能需要考慮更多材料成分的配比關(guān)系來(lái)迎合打印過(guò)程中其他因素對(duì)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(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，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?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消耗大量的科研經(jīng)費(fèi)及人力、物力資源。但是，開(kāi)發(fā)專用的金屬3D打印原材料是推動(dòng)金屬3D打印發(fā)展的必然因素，而且，這也能催生新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
總結(jié)：
內(nèi)行看門道，外行看熱鬧。就國(guó)內(nèi)金屬3D打印的發(fā)展現(xiàn)狀而言，中國(guó)還有很長(zhǎng)的路要走。據(jù)介紹，我們看到，美國(guó)在走“互聯(lián)網(wǎng)+”，德國(guó)走“+互聯(lián)網(wǎng)”，然后中國(guó)以德為師，提出工業(yè)4.0。但是，我們要認(rèn)識(shí)到，德國(guó)具有雄厚的工業(yè)基礎(chǔ)作為支撐，才提出制造業(yè)+互聯(lián)網(wǎng)，相比而言，中國(guó)的制造業(yè)基礎(chǔ)還是薄弱的，而且研究基礎(chǔ)也不高，這也是制約金屬3D打印材料發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。現(xiàn)今國(guó)家提出“互聯(lián)網(wǎng)+制造業(yè)”，是希望把個(gè)人的因素融合進(jìn)來(lái)，讓知識(shí)流動(dòng)性加強(qiáng)，然后逐步推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+制造業(yè)”，促進(jìn)傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，推動(dòng)3D打印的快速發(fā)展。
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