與傳統的“去除型”制造方式相比，3D打印工藝幾乎不會造成金屬材料浪費，而且這種“增材制造”直接成形的特點使得產品在生產過程中的設備問題大大減少。下文將為大家介紹3D打印技術的發展概況，3D打印技術對原料粉體的性能要求以及不同金屬粉末的適用范圍。

增材制造

一、金屬3D打印技術發展概況

工作原理：首先在計算機中用CAD造型軟件等繪出三維模型并導出STL文件，然后用分層切片軟件將模型橫向切成若干層，在高能激光束或電子束的作用下逐層熔化金屬粉末，最后得到三維實體。

根據在加工過程中金屬粉末材料的輸送方式的不同，金屬3D打印技術可以分為3類：激光選區熔化技術、電子束選區熔化技術、激光近凈成形。

1、激光選區熔化（SLM）

其技術原理是采用激光束照射預先鋪展好的金屬粉末原料，可適用于單一的金屬粉末、奧氏體不銹鋼、鎳基合金、鈦基合金等原料。

2、電子束選區熔化（EBSM）

其技術原理是采用電子束照射預先鋪展好的金屬粉末原料，可適用于不銹鋼、鈦及鈦合金、Co-Cr-Mo合金等。

3、激光近凈成型（LENS）

其技術原理是在用激光按照預設軌跡熔化同步供給的金屬粉末，可適用于奧氏體不銹鋼、Ni、Ti、Cu、Ni-Cu-sn、Fe基（Fe-B-Cr-C-Mn-Mo-W-Zr）等原料。

3D打印優勢：3D打印技術非常適合于小批量定做及復雜零件、大型化制品的定做，成本優勢不算太大，但開發時間卻可以大大縮短，設計師也可以腦洞大開，設計出一些更為特別模具無法完成的制品。可以有效的解決小批量、復雜零件、大型制品制作模具成本高開發驗證，周期長的問題。

示例：3D打印鈷鉻合金航空發動機葉輪

將金屬3D打印技術應用到航天零件的開發，可以大大縮短設計到驗證的周期。

二、金屬3D打印對粉體品質的要求

金屬粉體材料是金屬3D打印工藝的原材料，其粉體的基本性能對最終的成型的制品品質有著很大的關系。金屬3D打印對于粉體的要求主要在于化學成分、顆粒形狀、粒度及粒度分布、流動性、循環使用性等這幾個方面，具體要求見下文解析。

1、化學成分

原料的化學主要成分包括金屬元素和雜質成分，主要金屬元素常用的有Fe、Ti、Ni、Al、Cu、Co、Cr以及貴金屬Ag、Au等。雜質成分有還原鐵中的Si、Mn、C、S、P、O等，從原料和粉末生產中中混入的其他雜質等，粉體表面吸附的水及其他氣體等。

在成型過程過程，雜質可能會與基體發生反應，改變基體性質，給制件品質帶來負面的影響。夾雜物的存在也會使粉體熔化不均，易造成制件的內部缺陷。粉體含氧量較高時，金屬粉體不僅易氧化，形成氧化膜，還會導致球化現象，影響制件的致密度及品質。

因此，需要嚴格控制原料粉體的雜質及夾雜以保證制品的品質，所以，3D打印用金屬粉體需要采用純度較高的金屬粉體原料。

2、顆粒形狀、粉體粒度及粒度分布

a、形狀要求。常見的顆粒的形狀有球形、近球形、片狀、針狀及其他不規則形狀等。不規則的顆粒具有更大的表面積，有利于增加燒結驅動。但球形度高的粉體顆粒流動性好，送粉鋪粉均勻，有利于提升制件的致密度及均勻度。因此，3D打印用粉體顆粒一般要求是球形或者近球形。

b、粉體粒度及粒度分布。研究表明，粉體是通過直接吸收激光或電子束掃描時的能量而熔化燒結，粒子小則表面積大，直接吸收能量多，更易升溫，越有利于燒結。此外，粉體粒度小，粒子之間間隙小，松裝密度高，成形后零件致密度高，因此有利于提高產品的強度和表面質量。但粉體粒度過小時，粉體易發生粘附團聚，導致粉體流動性下降，影響粉料運輸及鋪粉均勻。

所以細粉、粗粉應該以一定配比混合，選擇恰當的粒度與粒度分布以達到預期的成形效果。

3、粉體的工藝性能要求

粉體的工藝性能主要包括松裝密度、振實密度、流動性和循環利用性能。

a、松裝密度是粉末自然堆積時的密度，振實密度是經過振動后的密度。球形度好、粒度分布寬的粉末松裝密度高，孔隙率低，成形后的零件致密度高成形質量好。

b、流動性。粉體的流動性直接影響鋪粉的均勻性或送粉的穩定性。粉末流動性太差，易造成粉層厚度不均，掃描區域內的金屬熔化量不均，導致制件內部結構不均，影響成形質量；而高流動性的粉末易于流化，沉積均勻，粉末利用率高，有利于提高3D打印成形件的尺寸精度和表面均勻致密化。

c、循環性能。3D打印過程結束后，留在粉床中未熔化的粉末通過篩分回收仍然可以繼續使用。但長時間的高溫環境下，粉床中的粉末會有一定的性能變化。需要搭配具體工藝選用回收率。

三、3D打印用金屬粉末的種類及應用領域

單一組分的金屬粉末在成形過程中出現明顯的球化和集聚現象，易造成燒結變形和密度疏松，因此，多組元金屬粉末或者預合金粉末被開發了出來。按基體的主要元素可為鐵基材料、鎳基合金、鈦與鈦合金、鈷鉻合金、鋁合金、銅合金以及貴金屬等。

1、鐵基材料。3D打印中應用最廣泛的金屬材料，力學性能優異，耐高溫和耐腐蝕，性價比高，適合打印尺寸較大的產品，多用于各種工程機械、零件及模具等。市面典型的材料有304和316奧氏體不銹鋼粉。

2、鎳基材料。這類材料具有良好的高溫性能，抗氧化和抗腐蝕性。在航空航天、船舶以及石油化工等領域應用較廣。

3、鈦及鈦合金。其突出特點是比強度高，抗腐蝕，生物相容性好。因此在航天航空、生物骨骼，牙齒種植方面有著廣泛應用。

3d打印鈦合人工骨頭

4、鈷鉻合金。主要分為CoCrW和CoCrMo合金兩大類，具有良好的高溫性能及抗腐蝕性能。常應用于在牙科修復體如牙冠固定橋、可摘除義齒等的個性化定制方面。

3d打印鈷鉻合金牙齒托

5、鋁合金。鋁合金是一種輕量化金屬，其熔點低、密度低，但機械強度稍弱，化學活性強，目前已有研究可以通過3d打印制備出高強度的鋁合金材料。我想對于重視輕量化的的航空器和汽車零部件來說是非常有意義的。

6、銅及銅合金。銅最大的優勢在于其優異的導電性及導熱性。可用于航空航天、電子、機械零部件加工。

7、貴金屬。黃金和白銀等具有良好的塑性和延展性，光澤度十分美觀，可以通過3D打印加工個性化飾品，實現高精度高難度藝術品的設計和制作。

個性黃金飾品

參考文獻：

印技術及其專用粉末特征與應用；華南理工大學國家金屬材料近凈成形工程技術研究中心，程玉婉，關航健，肖志瑜；廣州納聯材料科技有限公司，李博；

粉體圈 作者：小胖