金属3D打印技术的应用及其对原料粉体的要求

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与传统的“去除型”制造方式相比，3D打印工艺几乎不会造成金属材料浪费，而且这种“增材制造”直接成形的特点使得产品在生产过程中的设备问题大大减少。下面，广东银纳小编将为大家介绍3D打印技术的发展概况，3D打印技术对原料粉体的性能要求以及不同金属粉末的适用范围。

一、金属3D打印技术发展概况
工作原理：首先在计算机中用CAD造型软件等绘出三维模型并导出STL文件，然后用分层切片软件将模型横向切成若干层，在高能激光束或电子束的作用下逐层熔化金属粉末，最后得到三维实体。

根据在加工过程中金属粉末材料的输送方式的不同，金属3D打印技术可以分为3类：激光选区熔化技术、电子束选区熔化技术、激光近净成形。

1、激光选区熔化（SLM）
其技术原理是采用激光束照射预先铺展好的金属粉末原料，可适用于单一的金属粉末、奥氏体不锈钢、镍基合金、钛基合金等原料。

2、电子束选区熔化（EBSM）
其技术原理是采用电子束照射预先铺展好的金属粉末原料，可适用于不锈钢、钛及钛合金、Co-Cr-Mo合金等。

3、激光近净成型（LENS）
其技术原理是在用激光按照预设轨迹熔化同步供给的金属粉末，可适用于奥氏体不锈钢、Ni、Ti、Cu、Ni-Cu-sn、Fe基（Fe-B-Cr-C-Mn-Mo-W-Zr）等原料。

3D打印优势：3D打印技术非常适合于小批量定做及复杂零件、大型化制品的定做，成本优势不算太大，但开发时间却可以大大缩短，设计师也可以脑洞大开，设计出一些更为特别模具无法完成的制品。可以有效的解决小批量、复杂零件、大型制品制作模具成本高开发验证，周期长的问题。

将金属3D打印技术应用到航天零件的开发，可以大大缩短设计到验证的周期。

二、金属3D打印对粉体品质的要求
金属粉体材料是金属3D打印工艺的原材料，其粉体的基本性能对最终的成型的制品品质有着很大的关系。金属3D打印对于粉体的要求主要在于化学成分、颗粒形状、粒度及粒度分布、流动性、循环使用性等这几个方面，具体要求见下文解析。

1、化学成分
原料的化学主要成分包括金属元素和杂质成分，主要金属元素常用的有Fe、Ti、Ni、Al、Cu、Co、Cr以及贵金属Ag、Au等。杂质成分有还原铁中的Si、Mn、C、S、P、O等，从原料和粉末生产中中混入的其他杂质等，粉体表面吸附的水及其他气体等。

在成型过程过程，杂质可能会与基体发生反应，改变基体性质，给制件品质带来负面的影响。夹杂物的存在也会使粉体熔化不均，易造成制件的内部缺陷。粉体含氧量较高时，金属粉体不仅易氧化，形成氧化膜，还会导致球化现象，影响制件的致密度及品质。

因此，需要严格控制原料粉体的杂质及夹杂以保证制品的品质，所以，3D打印用金属粉体需要采用纯度较高的金属粉体原料。

2、颗粒形状、粉体粒度及粒度分布
a、形状要求。常见的颗粒的形状有球形、近球形、片状、针状及其他不规则形状等。不规则的颗粒具有更大的表面积，有利于增加烧结驱动。但球形度高的粉体颗粒流动性好，送粉铺粉均匀，有利于提升制件的致密度及均匀度。因此，3D打印用粉体颗粒一般要求是球形或者近球形。

b、粉体粒度及粒度分布。研究表明，粉体是通过直接吸收激光或电子束扫描时的能量而熔化烧结，粒子小则表面积大，直接吸收能量多，更易升温，越有利于烧结。此外，粉体粒度小，粒子之间间隙小，松装密度高，成形后零件致密度高，因此有利于提高产品的强度和表面质量。但粉体粒度过小时，粉体易发生粘附团聚，导致粉体流动性下降，影响粉料运输及铺粉均匀。

所以细粉、粗粉应该以一定配比混合，选择恰当的粒度与粒度分布以达到预期的成形效果。

3、粉体的工艺性能要求
粉体的工艺性能主要包括松装密度、振实密度、流动性和循环利用性能。

a、松装密度是粉末自然堆积时的密度，振实密度是经过振动后的密度。球形度好、粒度分布宽的粉末松装密度高，孔隙率低，成形后的零件致密度高成形质量好。

b、流动性。粉体的流动性直接影响铺粉的均匀性或送粉的稳定性。粉末流动性太差，易造成粉层厚度不均，扫描区域内的金属熔化量不均，导致制件内部结构不均，影响成形质量；而高流动性的粉末易于流化，沉积均匀，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匀致密化。

c、循环性能。3D打印过程结束后，留在粉床中未熔化的粉末通过筛分回收仍然可以继续使用。但长时间的高温环境下，粉床中的粉末会有一定的性能变化。需要搭配具体工艺选用回收率。

三、3D打印用金属粉末的种类及应用领域
单一组分的金属粉末在成形过程中出现明显的球化和集聚现象，易造成烧结变形和密度疏松，因此，多组元金属粉末或者预合金粉末被开发了出来。按基体的主要元素可为铁基材料、镍基合金、钛与钛合金、钴铬合金、铝合金、铜合金以及贵金属等。

1、铁基材料。3D打印中应用最广泛的金属材料，力学性能优异，耐高温和耐腐蚀，性价比高，适合打印尺寸较大的产品，多用于各种工程机械、零件及模具等。市面典型的材料有304和316奥氏体不锈钢粉。

2、镍基材料。这类材料具有良好的高温性能，抗氧化和抗腐蚀性。在航空航天、船舶以及石油化工等领域应用较广。

3、钛及钛合金。其突出特点是比强度高，抗腐蚀，生物相容性好。因此在航天航空、生物骨骼，牙齿种植方面有着广泛应用。

4、钴铬合金。主要分为CoCrW和CoCrMo合金两大类，具有良好的高温性能及抗腐蚀性能。常应用于在牙科修复体如牙冠固定桥、可摘除义齿等的个性化定制方面。

5、铝合金。铝合金是一种轻量化金属，其熔点低、密度低，但机械强度稍弱，化学活性强，目前已有研究可以通过3d打印制备出高强度的铝合金材料。我想对于重视轻量化的的航空器和汽车零部件来说是非常有意义的。

6、铜及铜合金。铜最大的优势在于其优异的导电性及导热性。可用于航空航天、电子、机械零部件加工。

7、贵金属。黄金和白银等具有良好的塑性和延展性，光泽度十分美观，可以通过3D打印加工个性化饰品，实现高精度高难度艺术品的设计和制作。

以上是广东银纳小编为大家介绍的关于3D打印技术的发展概况，下期将为大家分享更多的知识。