南極熊匯總：世界上都有哪些金屬3D打印材料？

南極熊3D打印網(wǎng)編

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。熊友們還記得南極熊之前報(bào)道的“Divergent Microfactories推出一輛基于3D打印部件的超級(jí)跑車吧。這輛跑車并不是3D打印整個(gè)車輛，而是只3D打印鋁制的“節(jié)點(diǎn)”結(jié)構(gòu)。DM使用3D打印精心打造出形狀復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)之后，通過(guò)現(xiàn)成的碳纖維管材將其連在一起。

　

那現(xiàn)今有什么樣的金屬材料或是無(wú)機(jī)材料，可以供我們打造一輛獨(dú)特的跑車或是其他的構(gòu)件呢？

目前，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。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。

　　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�撐�?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。

黑色金屬

1.不銹鋼
不銹鋼（Stainless Steel）是不銹耐酸鋼的簡(jiǎn)稱，耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質(zhì)或具有不銹性的鋼種稱為不銹鋼；而將耐化學(xué)腐蝕介質(zhì)（酸、堿、鹽等化學(xué)浸蝕）腐蝕的鋼種稱為耐酸鋼。由于兩者在化學(xué)成分上的差異而使他們的耐蝕性不同，普通不銹鋼一般不耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕，而耐酸鋼則一般均具有不銹性。

不銹鋼材料打印的啟瓶器

不銹鋼是最廉價(jià)的金屬打印材料，經(jīng)3D打印出的高強(qiáng)度不銹鋼制品表面略顯粗糙，且存在麻點(diǎn)。不銹鋼具有各種不同的光面和磨砂面，常被用作珠寶、功能構(gòu)件和小型雕刻品等的3D打印。
2.高溫合金
高溫合金具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能，已成為軍民用燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件不可替代的關(guān)鍵材料。

高溫合金材料主要應(yīng)用在航空工業(yè)領(lǐng)域
高溫合金因其強(qiáng)度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、不易成型加工和傳統(tǒng)加工工藝成本高等因素已成為航空工業(yè)應(yīng)用的主要3D打印材料。隨著3D打印技術(shù)的長(zhǎng)期研究和進(jìn)一步發(fā)展，3D打印制造的飛機(jī)零件因其加工的工時(shí)和成本優(yōu)勢(shì)已得到了廣泛的應(yīng)用。

有色金屬
1.鈦
鈦金屬外觀似鋼，具有銀灰光譯，是一種過(guò)渡金屬，在過(guò)去一段時(shí)間內(nèi)人們一直認(rèn)為它是一種稀有金屬。鈦并不是稀有金屬，鈦在地殼中約占總重量的0.42%，是 銅、鎳、鉛、鋅的總量的16倍。在金屬世界里排行第七，含鈦的礦物多達(dá)70多種。鈦的強(qiáng)度大，密度小，硬度大，熔點(diǎn)高，抗腐蝕性很強(qiáng)；高純度鈦具有良好的可塑性，但當(dāng)有雜質(zhì)存在時(shí)變得脆而硬。

　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)。

NASA利用鈦金屬粉末制作的渦輪泵
采用3D打印技術(shù)制造的鈦合金零部件，強(qiáng)度非常高，尺寸精確，能制作的最小尺寸可達(dá)1mm，而且其零部件機(jī)械性能優(yōu)于鍛造工藝。英國(guó)的Metalysis公司利用鈦金屬粉末成功打印了葉輪和渦輪增壓器等汽車零件。此外，鈦金屬粉末耗材在3D打印汽車、航空航天和國(guó)防工業(yè)上都將有很廣闊的應(yīng)用前景。

2.鎂鋁合金

日本佳能公司利用3D打印技術(shù)制造出了頂級(jí)單反相機(jī)鎂鋁合金特殊曲面頂蓋

鎂鋁合金打印的零部件質(zhì)量較輕
鎂鋁合金因其質(zhì)輕、強(qiáng)度高的優(yōu)越性能，在制造業(yè)的輕量化需求中得到了大量應(yīng)用，在3D打印技術(shù)中，它也毫不例外地成為各大制造商所中意的備選材料。

3.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。

4.鎵

鎵主要用作液態(tài)金屬合金的3D打印材料
鎵(Ga)主要用作液態(tài)金屬合金的3D打印材料，它具有金屬導(dǎo)電性，其粘度類似于水，不同于汞(Hg)，鎵既不含毒性，也不會(huì)蒸發(fā)。鎵可用于柔性和伸縮性的電子產(chǎn)品，液態(tài)金屬在可變形天線的軟伸縮部件、軟存儲(chǔ)設(shè)備、超伸縮電線和軟光學(xué)部件上已得到了應(yīng)用。

5.鎵-銦合金

北卡羅琳州立大學(xué)化學(xué)和生物分子工程的副教授Michael Dickey利用鎵(Ga)與銦(In)的液態(tài)金屬合金通過(guò)3D打印技術(shù)在室溫下創(chuàng)造了一種三維的自立式結(jié)構(gòu)，這一奇跡的誕生得益于鎵-銦合金在空氣中與氧氣發(fā)生反應(yīng)形成了一層能夠保持零件形狀的氧化膜。這一技術(shù)在3D打印中被用于連接電子部件。

6.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。

7.銅基合金

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。

8.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。

9.稀貴金屬

3D打印的黃銅戒指

黃金首飾

3D打印的產(chǎn)品在時(shí)尚界的影響力越來(lái)越大。世界各地的珠寶設(shè)計(jì)師受益最大的就是將3D打印快速原型技術(shù)作為一種強(qiáng)大且可以方便替代其他制造方式的創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)。在飾品3D打印材料領(lǐng)域，常用的有金、純銀、黃銅等。

陶瓷材料
陶瓷材料具有高強(qiáng)度、高硬度。耐高溫、低密度、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕等優(yōu)異特性，在航空航天、汽車、生物等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。

3D打印的陶瓷材料

硅酸鋁陶瓷粉末能夠用于3D打印陶瓷產(chǎn)品，3D打印的該陶瓷制品不透水、耐熱溫度可達(dá)600攝氏度，可回收、五毒，但其強(qiáng)度不高，可作為理想的炊具、餐具（杯、碗、盤(pán)子、蛋杯和杯墊）和燭臺(tái)、瓷磚、花瓶、藝術(shù)品等家居裝飾材料。

復(fù)合材料
復(fù)合材料制作的3D打印仿生肌電假手
美國(guó)硅谷Arevo實(shí)驗(yàn)室3D打印出了高強(qiáng)度碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。相比于傳統(tǒng)的擠出或注塑定型方法，3D打印時(shí)通過(guò)精確控制碳纖維的取向，優(yōu)化特定機(jī)械、電和熱性能，能夠嚴(yán)格設(shè)定其綜合性能。由于3D打印的復(fù)合材料零件一次只能制造一層，每一層可以實(shí)現(xiàn)任何所需的纖維取向。結(jié)合增強(qiáng)聚合物材料打印的復(fù)雜形狀零部件具有出色的耐高溫和抗化學(xué)性能。

3D打印的超強(qiáng)聚合物部件

3D打印仿生肌電假手（右）

美國(guó)科學(xué)家用石墨烯3D打印出超輕超薄的超級(jí)電容

而備受矚目的3D打印技術(shù)，材料成為其能否“有所作為”的重要指標(biāo)。我國(guó)的基礎(chǔ)材料產(chǎn)業(yè)多年來(lái)雖然受到國(guó)家的不少關(guān)注，但是一直處于被世界發(fā)達(dá)國(guó)家壓迫的窘境，而當(dāng)前的3D打印材料產(chǎn)業(yè)更是如此。

事實(shí)上，國(guó)產(chǎn)3D打印設(shè)備對(duì)應(yīng)的耗材目前極為短缺，主要原因在于：便宜的耗材賺不到錢(qián)，廠家不愿意生產(chǎn)，而較貴的耗材現(xiàn)有技術(shù)跟不上，由于缺少政策扶持和補(bǔ)貼，廠家又不愿意投入資金和人力成本去研發(fā)，雖說(shuō)這跟很多企業(yè)自身有很大關(guān)系，但缺少國(guó)家體制和政策支持也是一大原因。

綜上所述，3D打印這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，還得依靠基礎(chǔ)材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這也是國(guó)內(nèi)3D打印產(chǎn)業(yè)的一大“病根”。近幾年，3D打印技術(shù)得到快速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也更為廣泛，但在材料供給上并不樂(lè)觀，成為制約3D打印進(jìn)一步發(fā)展的技術(shù)瓶頸。

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