3D 打印用金属材料

3D 打印用金属材料

作为3d打印中非常重要的材料，金属材料在汽车、模具、能源、航空航天、生物医疗等行业中都有广阔的应用前景。

3D 打印金属材料主要有粉末形式和丝材形式。粉末材料是最常用的材料，可用于激光选区熔化(Selective Laser Melting，SLM)、激光近净成形电子束选区熔化(Electron Beam Melting，EBM)等多种3D打印工艺；丝材则适合于电弧增材制造(Wire and Arc Additive Manufacture，WAAM)等工艺。

为了满足3D 打印的工艺需求，金属粉末必须满足一定的要求。粉末的流动性是粉末的重要特性之一，所有使用金属粉末作为耗材的3D打印工艺在制造过程中均涉及粉末的流动，金属粉末的流动性直接影响到SLM、EBM 中的铺粉均匀性和LENS 中的送粉稳定性，若流动性太差会造成打印精度降低甚至打印失败。粉末的流动性受粉末粒径、粒径分布、粉末形状、所吸收的水分等多方面的影响，一般为了保证粉末的流动性，要求粉末是球形或近球形，粒径在十几微米到一百微米之间，过小的粒径容易造成粉体的团聚，而过大的粒径会导致打印精度的降低。此外，为了获得更致密的零件，一般希望粉体的松装密度越高越好，采用级配粉末比采用单一粒径分布的粉末更容易获得高的松装密度。目前3D打印所使用的金属粉末的制备方法主要是雾化法。雾化法主要包括水雾化法和气雾化法两种，气雾化制备的粉末相比于水雾化粉末纯度高、氧含量低、粉末粒度可控、生产成本低以及球形度高，是高性能及特种合金粉末制备技术的主要发展方向。

3D 打印所使用的金属丝材与传统的焊丝相同，理论上凡能在工艺条件下熔化的金属都可作为3D 打印的材料。丝材制造的工艺很成熟，材料成本相比粉材要低很多。

按照材料种类划分，3D打印金属材料可以分为铁基合金、钛及钛基合金、镍基合金、钴铬合金、铝合金、铜合金及贵金属等。

铁基合金是3D 打印金属材料中研究较早、较深入的一类合金，较常用的铁基合金有工具钢、316L 不锈钢、M2 高速钢、H13 模具钢和15-5PH 马氏体时效钢等。铁基合金使用成本较低、硬度高、韧性好，同时具有良好的机械加工性，特别适合于模具制造。3D打印随形水道模具是铁基合金的一大应用，传统工艺异形水道难以加工，而3D打印可以控制冷却流道的布置与型腔的几何形状基本一致(图2)，能提升温度场的均匀性，有效降低产品缺陷并提高模具寿命。