3D打印金属材料种类及应用

在“2013年世界3D 打印技术产业大会”上，世界3D 打印行业的权威专家对3D打印金属粉末给予明确定义，即指直径小于1 mm 的金属颗粒群，包括单一金属粉末、合金粉末以及具有金属性质的某些难熔化合物粉末。目前，用于3D打印技术的金属材料有钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金材料等，用于打印首饰的材料有金、银等贵金属粉末。

1.铝及铝合金

铝是自然界分布最广的金属元素。铝合金是以铝为基础，加入一种或几种其他元素（如铜、镁、硅、锰、锌等）构成的合金，还可以经过热处理或冷变形加工等方法进一步提高强度。铝合金耐腐蚀性能较好，可用于制造某些结构零件。

铝的优点是熔点低，密度小，可强化，塑性好，易加工，抗腐蚀。同时，铝应用在3D打印中也有缺陷。一是加工安全性低，因铝的化学活性高，被制成粉末后，极易燃烧，甚至发生爆炸。二是铝的强度低，机械性能不佳。三是铝暴露在空气中易氧化，导致烧结困难。

铝及铝合金铸造技术在军工、航空航天、汽车制造等领域已被广泛应用，如图4-3-1所示为铝制航天级支架。但受工艺和技术的制约，铸造铝合金在制造过程中存在一些不足。3D打印技术很好地解决了铸造工艺中错边、尺寸不符、气孔、夹渣、针孔等不足。

图4-3-1　铝制航天级支架

2.钛合金

钛合金材料具有耐高温、耐腐蚀性、强度高、密度低、生物相容性好等优点，因此在医疗领域有广泛的应用，成为人工关节、骨创伤、脊柱矫形内固定系统、牙齿等医用产品的首选材料。将钛合金金属粉末用3D打印技术打印出的产品有个性化的假体假骨、牙冠、牙桥、舌侧正畸托槽、假牙支架等。图4-3-2为钛合金打印的下颌骨，图4-3-3为钛合金制作的医疗植入物。

图4-3-2　钛合金下颌骨

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图4-3-3　钛合金制作的医疗植入物

由于钛合金优异的力学性能，低密度，以及良好的耐腐蚀性，钛合金在航天航空领域的使用得到了迅速的发展。驾驶员座舱和通风道的部件、飞机起落架的支架、机翼等飞机零部件都可以通过3D打印来生产，如图4-3-4为3D打印的飞机主风挡窗的钛框，图4-3-5是钛金属飞机机翼部件。采用3D打印技术制造的钛合金零部件，不但强度非常高，而且尺寸精确，能制作的最小尺寸可达1 mm。

图4-3-4　3D打印的飞机主风挡窗的钛框

图4-3-5　钛金属飞机机翼部件（图片来源：西北工业大学）

3.钴铬合金

钴铬合金的主要成分是钴和铬，它的抗腐蚀性能和机械性能都非常优异，用其制作的零件强度高、耐高温，且有杰出的生物相容性，最早用于制作人体关节，现在已广泛应用于口腔领域。由于其不含对人体有害的镍元素与铍元素，3D打印个性化定制的钴铬合金烤瓷牙已成为非贵金属烤瓷的首选。

4.不锈钢材料

不锈钢材料是一种加入了铜成分的不锈钢粉，是3D打印经常使用的金属粉末材料，其粉末成型性好、制备工艺简单且成本低廉，是价格最便宜的一种金属打印材料。这种材料的特点是耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀性介质，以及耐酸、碱、盐等化学浸蚀性介质。3D打印用的不锈钢模型具有较高的强度，而且适合打印尺寸较大的物品。不锈钢材料一般为银白色，熔点为660 ℃。

5.液态金属

液态金属指的是一种不定型金属。用于3D打印的液态金属通常由镓和铟的合金组成，这两种金属无毒且能在室温下保持液态，于2013年由美国北卡罗来纳州大学的研究人员开发。当液态金属被暴露在空气中时，材料的表面会硬化，但内部仍然保持液态，这也就是其能够保持柔性的原因。镓具有金属导电性，其黏度类似于汞，但又不同于汞，既不含毒性，又不会蒸发，可用于柔性和伸缩性的电子产品，也就意味着将来有可能采用类似技术，利用3D打印机制作液态金属电路板。