金屬3D打印材料

摘? 要：3D打印作為快速成型技術的新興產業，可以采用使用粉末狀金屬或者可塑性塑料味原材料，并通過離散化的模式快速成形，其是快速成型技術的一個重要分支，最終通過設備及技術生產并形成三維物體。3D打印技術是前沿科技匯聚的產物，而金屬材料對其產業發展起著重要的作用。本文將著重討論金屬3D打印材料的種類和其特點。

關鍵詞：金屬3D打印;種類;特點;金屬材料

3D打印能夠快速的進行發展，取決于它能夠將三維物體的建模、設計、快速復制由理論概念轉變為現實。但是目前絕大多數3D打印設備所使用的耗材是可塑性塑料，使用金屬粉末材料的較少^[1]。雖然使用金屬材料作為3D打印機耗材會在一定程度上提高制造成本，但金屬材料具有可塑性塑料不具備的力學強度和優異的導電性。隨著新型低廉3D打印金屬耗材的制備，金屬3D打印材料也開始逐漸走入，引起人們的廣泛關注。

一、3D打印金屬材料

目前市面上常見的黑色金屬打印材料主要有不銹鋼、高溫合金這兩種。

不銹鋼作為最為廉價的3D金屬打印材料，經常作為打印耗材出現在人們的視野中，不銹鋼作為耗材打印出來的三維物體具有鋼的力學強度，但其表面比較粗糙經常會出現麻點，但因為其表面有各種不同的磨砂面，不銹鋼3D制品經常用于珠寶或者小型雕刻品的功能構件。為增強不銹鋼3D耗材的表面形態，有關專家在耗材中融入一定量的青銅，青銅的添加不但提高了打印成品的物理性能，而且也影響了成品表面的光澤，提高了飾面的明暗度。

高溫合金本身具有極高的金屬強度和穩定的化學性質，但由于其高昂的加工成本和可塑性差的原因，目前只能用于航空工業3D打印的耗材。另外，高溫合金作為耗材的飛機零件已經得到了行業的廣泛應用^[2]。

有色金屬3D打印材料主要有鈦、鋁鎂合金、鎵、鎵銦合金這四種。

鋁鎂合金相比于其它有色金屬材料具有材質輕這一重要特點，在輕量化需求的3D打印產品中有著廣泛的應用，毫不例外的成為了許多行業3D打印的備選材料^[3]。

鎵是少數幾種液態金屬合金3D打印耗材的原材料，鎵的黏著度與水相似，且具有良好的金屬導電性，且沒有毒性，不易蒸發。通過快速擠壓鎵通過特種噴嘴，可以使鎵堆積成三維狀態液滴，這些金屬液滴會在表面形成一層固態的氧化膜，從物理上使打印物體的結構穩定化。由于其出色的物理性質，在作為電線時在切斷后也可以自我完成修復，讓鎵這種液態金屬開始適應于具有伸縮性和柔性的電子產品上面，例如：軟存儲設備、可變形天線、軟光學部件等。綜上可見鎵合金作為SD打印金屬材料的應用前景是十分可觀，但其還存在一定程度的劣勢，例如：工業化成本過高、不利于固定和包覆在聚合物基體中。因此，應根據實際情況合理選擇SD打印金屬材料。

二、金屬3D打印技術特點

不同的3D金屬材料打印制造技術具有各種不同的分類方法，按照金屬2材料成型1的沉積狀態，金屬的主要加工工藝有：三維微焊接技術、電子束熔斷技術、激光熔敷技術、三維打印技術、選區激光熔斷技術選擇性激光燒結技術。

電子束熔斷技術原理是：在真空環境中，通過使用電子束融化金屬材料和金屬粉末，通過預先設定好的三維模型，進行逐層堆積。但是電子束沉積需要高強度的真空環境，需要的設備極其昂貴，例外電子束在進行沉積過程中會造成伽馬射線的泄露，會在一定程度上對環境造成污染。

三維打印技術的原理是：通過特種噴壺將液態粘結劑噴在工作臺上，當粘結劑與金屬粉末凝固之后，形成了不是純種意義上的金屬器件。三維打印技術可以通過駕校金屬粉末的直徑和厚度來提高成品的密度。由于三維打印技術不需要激光燈高昂價格的打印設備，使得制造成本遠遠低于其它打印技術。

激光熔敷技術通常使用鐵基金屬、不銹鋼金屬、鈦合金、銅合金作為原始耗材，該技術是通過激光在原件局部表面產生瞬間的高能量，將粉末狀金屬進行融化結合。相比于傳統的焊接技術來說，激光熔敷技術具有產生殘余熱低的優點，其被廣泛用于葉片、汽輪機的修復中^[4]。

選擇性激光燒結技術是通過高能激光對均勻鋪放在工作臺的金屬粉末進行快速掃描，掃描完成后開始進行燒結，每次燒結冷卻成型后活塞會下降一個層高，開始進行下一次掃描，直到完成打印工作。選擇性激光燒結技術相比于其它技術具有成型工藝簡單、打印物精度高，無需設計支持結構等特點，而且選擇性激光燒結技術的金屬粉末耗材利用率高，設備成本也較為便宜，收到了市場的青睞。

但是選擇性激光燒結技術打印出來的物品表面質量差、力學性能低，不能廣泛用于特種零件的制作。

三、金屬3D打印技術的發展趨勢

隨著社會工業化的不斷發展，業界對金屬3D打印的需求也不斷增加，致使3D打印材料的形態種類得到了迅速擴展，同時3D金屬打印的成本也在進一步下降，其3D金屬打印成品的強度、穩定性、安全性、穩定性也在不斷提高。

未來，隨著金屬3D打印原理的擴展深化，以及業界對3D金屬材料的不斷深入研究，金屬3D打印的效率會得到顯著的提高，這種提高主要體現在打印物體的致密性、力學性質、表面物理性能等方面上。除此之外，金屬3D打印設備的性能也會朝著成本低廉、方便、耐用等方向不斷發展^[5]。

結語：

3D打印技術，是新興制造業和互聯網網工業的有機結合，不僅為傳統制造業帶來了顛覆性的創新，也為未來制造業的發展帶來了無限的可能，目前3D打印技術已經廣泛應用于制造業之中，成為了制造業的中流砥柱。目前可塑性塑料是3D打印耗材的主導材料，其影響并決定著3D打印技術及其在制造業的相關發展，但隨著科技的不斷發展，會有更多的金屬材料逐步鍵入3D打印市場，更進一步推動3D打印技術的發展。

參考文獻

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[2]? 溫斯涵，李丹. 3D打印材料產業發展現狀及建議[J]. 新材料產業，2019（02）：2-6.

[3]? 高宇. 應用于金屬3D打印的數字微噴控制方法研究[D].南京師范大學，2018.

[4]? 韓壽波，張義文，田象軍，劉明東，賈建. 航空航天用高品質3D打印金屬粉末的研究與應用[J]. 粉末冶金工業，2017，27（06）：44-51.

[5]? 李錦，閔暢，沈新明，彭曉峰. 新型3D混合打印材料的研究[J]. 科教導刊（中旬刊），2018（02）：50-52.

作者簡介：趙衛娜（1990年9月—），女，漢族，河北省石家莊新樂市人，碩士研究生，研究方向：材料加工。