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金屬3D打印技術及應用材料

金屬3D打印技術是增材制造領域中的一個重要分支，可直接從數字模型構建復雜的金屬零件。在“關鍵零部件”應用上金屬材料更具優勢，且應用市場更為廣泛。金屬3D打印通常是指采用激光束、電子束、電弧等高能束作為能量源的增材技術。當前，金屬3D打印技術主要以粉末床熔融（PBF）、定向能量沉積（DED）為主，此外基于燒結的間接金屬打印也逐漸發展起來了。

• 基于PBF的主要工藝有SLM和EBM：采用激光或電子束熔化粉末，相對于其他金屬打印技術，PBF的制造效率較慢，但可以高精度打印復雜結構部件；

• 基于DED的工藝則有LENS、LMD：都是采用噴粉形式輸送金屬粉末，再利用激光將材料同步熔化沉積成型，該過程也可使用金屬絲完成，通常用來打印大型、低保真零件，也可用來進行零件修復。

• 基于間接3D打印工藝的BJ、PEP、FDM技術：都可用于金屬材料的打印，間接3D打印可以理解為由MIM技術衍生出的新型金屬增材制造工藝，均是采用粘接方式實現零件成型，然后通過高溫燒結實現冶金化。該類工藝突破了激光成型的效率不足，且成本更低、更符合工業化應用場景。

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▲不同金屬3D打印工藝示意圖

金屬3D打印材料可分為粉末、顆粒和線材。目前，基于直接金屬熔融沉積的打印材料主要以鈦合金、鋁合金、不銹鋼、模具鋼、鈷鉻合金、鎳基高溫合金、貴金屬合金等為主；而間接金屬成型的打印材料則適配性更廣泛，可適用于MIM工藝的材料。主要有不銹鋼等鐵基金屬、銅等有色金屬、鎢等難熔金屬、高溫合金等材料類型。3D打印金屬材料在航空航天、醫療、模具設計、能源及電子工業等領域都有著非常廣泛的應用。

▲金屬3D打印材料類型（粉末、顆粒和線材 ）

PEP與SLM的技術特點及差異

為充分挖掘不同金屬３D打印技術的應用價值，本文選擇了SLM與PEP這兩種差異化技術路線進行解析。SLM是目前最常見的一種金屬3D打印技術，采用高能激光束逐層熔化金屬粉末，形成冶金結合的三維實體，可制造性能優良和較好表面粗糙度的復雜形狀金屬零件?。PEP則是由升華三維推出的一種3D打印結合粉末冶金工藝的間接增材技術，其發揮了3D打印靈活成型與粉末冶金成熟后處理工藝優勢，通過3D打印機制備復雜結構形狀，再通過粉末冶金的脫脂燒結工藝進行后處理，最終獲得致密且性能一致性好的金屬結構件。

這兩種技術路線都具有其獨特的優勢，但也存在著明顯的差異點，主要體現在：

• 成型方式：SLM采用激光熔化材料原粉直接得到制品，而PEP則采用原粉加粘結劑混合后的顆粒料擠出成型，再通過燒結獲得制品；

• 材料利用：SLM在打印過程中產生的未熔化粉末可以回收利用，但回收效率和利用率較低，PEP技術打印過程的材料及生坯可完全實現循環使用；

• 中空結構：SLM基于粉末床熔化技術，在制備中空結構時，存在清粉難問題，而PEP采用材料擠出成型，則可避免這一問題；

• 熱處理需求：SLM打印出的零件想要獲得高性能，需要做再做熱處理，而PEP技術則是通過燒結步驟來實現熱處理過程；

• 打印設備成本：SLM設備需要高成本的激光器組件，PEP技術則避開了昂貴的高能激光器，采用擠出式系統，同等成型尺寸空間下，設備投入成本較低。

  
  

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PEP在金屬3D打印的應用優勢及前景

不同路線的金屬3D打印技術在應用側重點也會存在不同。SLM技術在尺寸精度、表面質量方面表現優異，適合對這些性能要求較高的應用，如更復雜的精細結構或薄壁，在鞋模設計、燃油噴嘴批產等都有成熟的應用案例。而PEP技術在成本效益、材料適應性、和與傳統工藝契合方面更具優勢，特別適合如難熔金屬及合金的3D打印。但同時也會受到一定限制。SLM設備相對昂貴，制造速度偏低，工藝參數復雜。目前主要采用配置多激光器方式來實現大尺寸和打印效率，但在制品性能一致性方面不好控制，相應的設備成本也會進一步增加。PEP對材料的高適應性，在新材料和產品開發領域具有較高的應用價值，且能更好地控制成品的材料成分。但在工業化應用方面，則可能需要額外的后處理，如拋光、涂層或CNC以獲得更好的精度和外觀。

金屬3D打印的優勢在于可以制造傳統工藝無法加工的復雜部件。在實現輕量化、復雜幾何形狀和一體化結構等方面具有獨特優勢。但3D打印的金屬零件如果想應用到工業方向，往往需要二次加工才能使用。采用3D打印實現產品的近凈成型，再利用傳統CNC工藝完成精加工，增減工藝配合使用將會是增材制造的重要發展方向，而增減材一體化設備的開發與應用在將來會占據重要地位。PEP技術因其綠色環保和可持續發展的特性，有助于減少能源消耗和環境污染，符合當前制造業的環保趨勢，市場潛力巨大。而PEP在金屬打印方面，工藝也已逐漸成熟，有望在科研教育、工業制造、航天航空、國防、核工業等多個應用領域進一步滲透。