神筆馬良的故事大家小時候應該都看過吧，也大概都會想，如果自己能夠擁有這樣一支神筆，會畫些什么……漸漸地長大以后，意識到畫一幅畫能變成實物，只不過是個美麗的神話。沒想到如今，3D打印技術的日漸成熟竟讓這個異想天開的想法有成為現實的可能。神話中，馬良的畫筆一揮，要啥就有啥，可終究只是神話。但3D打印技術也有異曲同工之妙，采用3D打印技術也能做出“立體的畫”，而這幅畫的品質則取決于其所使用的粉體原料。

采用金屬粉體作為原料的金屬3D打印是3D打印技術體系中的一大重要分支，可以說是先進制造發展的一個重要方向。想必很多人都好奇，金屬3D打印是如何實現的，有什么優勢？在不同領域有怎樣的運用？其對原料粉體又有怎樣的要求？

本篇文章，小編將給大家一一分說！

金屬3D打印是如何實現的？

金屬3D打印技術就是用逐層堆積金屬粉體材料的方式，獲得立體的實物。首先，通過掃描儀或電腦制圖軟件這支“神筆”繪制出所打印物體的三維數據，然后將數據導入3D打印機，用專用軟件進行分層處理，每一層形成二維圖形數據，然后專用軟件根據每一層的二維圖形數據進行線掃描或點打印路徑規劃和自動編程，形成打印機識別的數控G碼程序，然后打印機啟動這些程序，進行逐點逐線逐面打印，直到完成實物的成型。基本思路就是先將虛擬數據離散化處理，然后將離散數據用打印機變成實體，技術路徑分解描述如下：

3D體數據--2D面數據--1D線數據--0D點數據--G代碼--打印頭掃描--0D點成型--1D線成

相比傳統制造工藝，3D打印具有很多優勢，包括：材料總體利用率高；無需開模，制造工序少，周期短；可制造復雜結構的零件，如內部隨形流道；根據力學性能要求自由設計，不用考慮制造工藝等。

金屬3D打印技術有何運用？

目前，金屬3D打印如今已經成為行業增速第一名，并且在日常生活中的各個領域都有著廣泛應用，主要應用于工業、航空航天、汽車、醫療以及珠寶領域，用于這些領域共同特點就是個性化、小批量的快速制造。相對來說，醫療行業3D打印的應用發展速度較快，而其他領域發展較緩慢，主要原因是醫療領域充分利用了3D打印個性化制造的特點，對3D打印產品的機械強度和效率等要求較低，其他領域都對打印零部件的內部質量、機械強度、成型速度、配合精度均提出高要求。

3D打印鈷鉻合金牙齒托

1.工業領域

工業生產行業中，無論是原型制造還是模型生產幾乎都會使用金屬3D打印技術，一些大部件的零部件也會使用3D打印機來生產，再進行組裝。相比傳統制造工藝，3D打印技術能夠在降低生產成本、縮短生產時間的同時達到更大的生產量。工程機械、模具等零部件一般使用鐵基材料、銅及銅合金材料。

2.航空航天領域

金屬3D打印零件已經成為航空和航空航天領域的關鍵。世界上的諸多大國都已經開始運用金屬3D打印技術，來實現國防、航天等領域的發展。GE公司曾在意大利建造的世界上第一個3D打印廠就負責為飛躍噴氣發動機制造零部件，這足以證明了金屬3D打印的能力。航空航天用3D打印零部件多采用鎳基、鈦及鈦合金、鋁合金、銅及銅合金材料。

3.汽車領域

金屬3D打印在汽車行業的應用時間不算太長，但是潛力巨大、發展迅速。目前已經有寶馬、奧迪等知名汽車制造商在認真研究如何使用金屬3D打印技術來改革生產方式。未來金屬3D打印制造技術可以應用到汽車外圍設備、引擎部分、冷卻系統、傳動系統、傳動軸和底盤制造中，多使用鋁合金材料制造。

4.醫療領域

金屬3D打印在醫療領域的應用可以說非常普遍的了，其中特別是牙科、骨科。醫藥領域打印使用3D技術最大的好處自然是可定制性，醫生可以根據病人的具體情況進行植入物的設計。這樣一來，病人的治療過程會減少痛苦，術后也少了很多麻煩。且其具有高強度、良好的韌性及抗彎曲疲勞強度、優異的加工性能等，是其他醫用材料無法代替的。醫療領域多采用鈦及鈦合金材料、鈷鉻合金材料。

第四軍醫大學西京骨科醫院采用金屬3D打印技術制備出與患者鎖骨和肩胛骨完全一致的鈦合金假體，并成功植入骨腫瘤患者體內。

5.珠寶領域

目前，許多珠寶制造商正在從樹脂3D打印和蠟模制造向金屬3D打印轉型。隨著人們生活水平的不斷提升，對于珠寶首飾的要求也更高。人們不再喜歡市場上平平無奇的首飾，而是希望擁有獨一無二的定制首飾。因此，脫離模具實現定制化將是珠寶產業未來的發展趨勢，而這其中，金屬3D打印則將扮演著非常重要的角色，在珠寶行業大多使用貴金屬材料。

金屬3D打印珠寶：蒲凱倫《宮·樂》

金屬3D打印對原料粉體有何要求？

金屬3D打印工藝的關鍵原材料即是金屬粉體，故其制品的品質很大程度上取決于金屬粉體原料的選擇。其對于金屬粉體的要求主要在于以下幾個方面：

1.原料粉體純度

粉體原料中主要含有的金屬元素有Fe、Ti、Ni、Al、Cu、Co、Cr以及貴金屬Ag、Au等。除了金屬元素之外也或多或少會含有雜質，雜質成分有還原鐵中的Si、Mn、C、S、P、O等，此外還有粉體表面吸附的水及其他氣體等。

在3D打印制品成型過程中，粉體中若存在的雜質與基體發生反應，則會改變基體性質，影響制品品質。雜質也會使粉體熔化不均，易造成制件的內部缺陷。粉末具有大的比表面積，當粉體含氧量較高時，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。尤其是在航空航天等特殊應用領域，客戶對此指標的要求更為嚴格。

因此，需要嚴格控制原料粉體的純凈度以保證制品的品質，3D打印用金屬粉體需要采用純度較高的金屬粉體原料。

2.粉體顆粒形狀

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。一般而言，球形度越高，粉末顆粒的流動性也越好。3D打印金屬粉末球形度在98%以上，則打印時鋪粉及送粉更容易進行。

3.粉體粒度及粒度分布

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。

通常，金屬3D打印使用的粉末粒度范圍是15～53μm（細粉）、53～105μm（粗粉），部分場合下可放寬至105～150μm（粗粉）。這是因為不同能量源的金屬打印機對粉末粒度要求不同。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。

金屬原料粉體SEM圖片

4.粉體松裝密度與振實密度

松裝密度是指粉末自然堆積時的密度，振實密度是粉末經過振動后的密度。一般情況下，粉末粒度越粗，球形度越好、松裝密度就越大，粗細搭配的粉末能夠獲得更高的松裝密度和更低的孔隙率，成形后的零件致密度更高、成形質量更好。

5. 粉體流動性

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，進而使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。

6. 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。

總而言之，金屬3D打印是一個新的數字化制造技術，它的發展將給我們的生活方式和工作方式帶來變化，它是傳統工業的有益補充。隨著科技發展，將會給3D打印技術帶來巨大突破，3D打印技術也會發展成制造業的主角。若能把金屬3D打印技術做到簡易操作、高效、高精度、低成本，就會帶來一場新的“工業革命”。

粉體圈 作者：朱朱