金屬材料根據2018 年的Wohlers Report 報道，金屬增材製造產(chan) 業(ye) 有了明顯發展。文中指出，2017 年售出1768 套金屬3D 打印設備，相比2016 年的983 套增長了將近80%。作為(wei) 3D打印中非常重要的材料，金屬材料在汽車、模具、能源、航空航天、生物等行業(ye) 中都有廣闊的應用前景。

3D 打印金屬材料主要有粉末形式和絲(si) 材形式。粉末材料是常用的材料，可用於(yu) 激光選區熔化(Selective Laser Melting，SLM)、激光近淨成形(Laser Engineered Net Shaping，LENS)、電子束選區熔化(Electron Beam Melting，EBM)等多種3D打印工藝；絲(si) 材則適合於(yu) 電弧增材製造(Wire and Arc Additive Manufacture，WAAM)等工藝。

為(wei) 了滿足3D打印金屬霧化製粉設備的工藝需求，金屬粉末必須滿足一定的要求。粉末的流動性是粉末的重要特性之一，所有使用金屬粉末作為(wei) 耗材的3D打印工藝在製造過程中均涉及粉末的流動，金屬粉末的流動性直接影響到SLM、EBM 中的鋪粉均勻性和LENS 中的送粉穩定性，若流動性太差會(hui) 造成打印精度降低甚至打印失敗。粉末的流動性受粉末粒徑、粒徑分布、粉末形狀、所吸收的水分等多方麵的影響，一般為(wei) 了保證粉末的流動性，要求粉末是球形或近球形，粒徑在十幾微米到一百微米之間，過小的粒徑容易造成粉體(ti) 的團聚，而過大的粒徑會(hui) 導致打印精度的降低。此外，為(wei) 了獲得更致密的零件，一般希望粉體(ti) 的鬆裝密度越高越好，采用級配粉末比采用單一粒徑分布的粉末更容易獲得高的鬆裝密度。目前3D打印所使用的金屬粉末的製備方法主要是霧化法。霧化法主要包括水霧化法和氣霧化法兩(liang) 種，氣霧化製備的粉末相比於(yu) 水霧化粉末純度高、氧含量低、粉末粒度可控、生產(chan) 成本低以及球形度高，是高性能及特種合金粉末製備技術的主要發展方向。

3D打印金屬霧化製粉設備所使用的金屬絲(si) 材與(yu) 傳(chuan) 統的焊絲(si) 相同，理論上凡能在工藝條件下熔化的金屬都可作為(wei) 3D 打印的材料。絲(si) 材製造的工藝很成熟，材料成本相比粉材要低很多。

按照材料種類劃分，3D打印金屬材料可以分為(wei) 鐵基合金、鈦及鈦基合金、鎳基合金、鈷鉻合金、鋁合金、銅合金及等。

鐵基合金是3D 打印金屬材料中研究較早、較深入的一類合金，較常用的鐵基合金有工具鋼、316L 不鏽鋼、M2 高速鋼、H13 模具鋼和15-5PH 馬氏體(ti) 時效鋼等。鐵基合金使用成本較低、硬度高、韌性好，同時具有良好的機械加工性，特別適合於(yu) 模具製造。3D打印隨形水道模具是鐵基合金的一大應用，傳(chuan) 統工藝異形水道難以加工，而3D打印可以控製冷卻流道的布置與(yu) 型腔的幾何形狀基本一致(圖2)，能提升溫度場的均勻性，有效降低產(chan) 品缺陷並提高模具壽命。

鈦及鈦合金以其顯著的比強度高、耐熱性好、耐腐蝕、生物相容性好等特點，成為(wei) 器械、化工設備、航空航天及運動器材等領域的理想材料。然而鈦合金屬於(yu) 典型的難加工材料，加工時應力大、溫度高，刀具磨損嚴(yan) 重，限製了鈦合金的廣泛應用。而3D打印技術特別適合鈦及鈦合金的製造，一是3D打印時處於(yu) 保護氣氛環境中，鈦不易與(yu) 氧、氮等元素發生反應，微區局部的快速加熱冷卻也限製了合金元素的揮發；二是無需切削加工便能製造複雜的形狀，且基於(yu) 粉材或絲(si) 材材料利用率高，不會(hui) 造成原材料的浪費，大大降低了製造成本。目前3D打印鈦及鈦合金的種類有純Ti、Ti6A14V(TC4)和Ti6A17Nb，可廣泛應用於(yu) 航空航天零件(圖3)及人工植入體(ti) (如骨骼，牙齒等)。

鎳基合金是一類發展快、應用廣的高溫合金，其在650～1000°C 高溫下有較高的強度和一定的抗氧化腐蝕能力，廣泛用於(yu) 航空航天、石油化工、船舶、能源等領域。例如，鎳基高溫合金可以用在航空發動機的渦輪葉片與(yu) 渦。常用的3D打印鎳基合金牌號有Inconel 625、Inconel718及Inconel 939等。

鈷基合金也可作為(wei) 高溫合金使用，但因資源缺乏，發展受限。由於(yu) 鈷基合金具有比鈦合金更良好的生物相容性，目前多作為(wei) 醫用材料使用，用於(yu) 牙科植入體(ti) 和骨科植入體(ti) 的製造。目前常用的3D 打印鈷基合金牌號有Co 212、Co 452、Co 502和CoCr28Mo6等。

鋁合金密度低，耐腐蝕性能好，抗疲勞性能較高， 且具有較高的比強度、比剛度， 是一類理想的輕量化材料。3D 打印中使用的鋁合金為(wei) 鑄造鋁合金， 常用牌號有AlSi10Mg、AlSi7Mg、AlSi9Cu3 等。韓國通信衛星Koreasat-5A及Koreasat-7 使用了SLM製造的AlSi7Mg輕量化部件(圖4)，不僅(jin) 由原來的多個(ge) 零件合成一個(ge) 整體(ti) 製造，零件重量比原設計降低22%，製造成本降低30%，生產(chan) 周期縮短1—2個(ge) 月。

其他金屬材料如銅合金、鎂合金、等需求量不及以上介紹的幾種金屬材料，但也有其相應的應用前景。銅合金的導熱性能良好，可以製造模具的鑲塊或火箭發動機燃燒室。NASA采用3D打印技術製造了由GRCop-84 銅合金內(nei) 壁和鎳合金外壁構成的燃燒室，內(nei) 壁采用SLM工藝製造，再以電子束熔絲(si) 沉積完成外壁的製造。該燃燒室經過全功率點火測試後，仍然保持良好的形狀，證明了3D打印工藝在節約大量時間和工藝成本的基礎上，取得了與(yu) 傳(chuan) 統工藝同樣的效果。鎂合金是目前實際應用中輕的金屬，且具有良好的生物相容性和可降解性，其楊氏模量與(yu) 人體(ti) 骨骼也為(wei) 接近，可作為(wei) 輕量化材料或植入物材料。但目前鎂合金3D打印工藝尚不成熟，沒有進行大範圍的推廣。如金、銀、鉑等多應用於(yu) 珠寶首飾等品的定製，應用範圍比較有限。

形狀記憶合金(Shape Memory Alloy，SMA)是一類形狀記憶材料，具有在受到某些刺激(如熱、機械或磁性變化)時“記憶”或保留先前形狀的能力。SMA在機器人、汽車、航空航天、生物等領域有著廣闊的應用前景。NiTi 合金是目前發展比較成熟的SMA，但NiTi 合金是難加工材料。將3D 打印技術應用於(yu) SMA 零件的製造，不僅(jin) 有望解決(jue) SMA的加工難題，還能實現傳(chuan) 統工藝無法實現的複雜點陣結構的製造。近年來有不少學者對NiTi 合金的SLM工藝進行了探索並取得了一定的成果。目前，SLM打印的NiTi 合金零件已經顯示出良好的形狀記憶效應，在8 次壓縮循環後具有約5％的可恢複應變。此外，SLM成形的NiTi 樣品的形狀記憶行為(wei) 與(yu) 時效工藝高度相關(guan) ，經350°C—18 h 時效的樣品展現出了幾乎完美的超彈性。

3D 打印材料發展至今，經曆了從(cong) 聚合物材料、金屬材料到陶瓷材料的發展過程。目前每個(ge) 領域仍不斷有新材料出現，體(ti) 現了3D打印技術的活力。盡管目前3D打印材料的類別已經涉及大部分材料體(ti) 係，但能夠成功應用於(yu) 3D打印的材料與(yu) 現在龐大的材料體(ti) 係相比也僅(jin) 僅(jin) 是滄海一粟。麵對未來3D打印結構功能一體(ti) 化的發展趨勢，需要在3D打印新材料、3D打印新技術和3D打印新裝備等方麵進行不斷創新。除了3D打印新材料的開發外，3D打印材料的標準化和產(chan) 業(ye) 化也是3D打印材料發展所麵臨(lin) 的重要課題。隨著3D打印材料、工藝、裝備的持續發展，3D 打印技術將更有力地支撐我國向製造強國邁進的步伐。