金属3D打印技术及应用材料

金属3D打印技术是增材制造领域中的一个重要分支，可直接从数字模型构建复杂的金属零件。在“关键零部件”应用上金属材料更具优势，且应用市场更为广泛。金属3D打印通常是指采用激光束、电子束、电弧等高能束作为能量源的增材技术。当前，金属3D打印技术主要以粉末床熔融（PBF）、定向能量沉积（DED）为主，此外基于烧结的间接金属打印也逐渐发展起来了。

• 基于PBF的主要工艺有SLM和EBM：采用激光或电子束熔化粉末，相对于其他金属打印技术，PBF的制造效率较慢，但可以高精度打印复杂结构部件；

• 基于DED的工艺则有LENS、LMD：都是采用喷粉形式输送金属粉末，再利用激光将材料同步熔化沉积成型，该过程也可使用金属丝完成，通常用来打印大型、低保真零件，也可用来进行零件修复。

• 基于间接3D打印工艺的BJ、PEP、FDM技术：都可用于金属材料的打印，间接3D打印可以理解为由MIM技术衍生出的新型金属增材制造工艺，均是采用粘接方式实现零件成型，然后通过高温烧结实现冶金化。该类工艺突破了激光成型的效率不足，且成本更低、更符合工业化应用场景。

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▲不同金属3D打印工艺示意图

金属3D打印材料可分为粉末、颗粒和线材。目前，基于直接金属熔融沉积的打印材料主要以钛合金、铝合金、不锈钢、模具钢、钴铬合金、镍基高温合金、贵金属合金等为主；而间接金属成型的打印材料则适配性更广泛，可适用于MIM工艺的材料。主要有不锈钢等铁基金属、铜等有色金属、钨等难熔金属、高温合金等材料类型。3D打印金属材料在航空航天、医疗、模具设计、能源及电子工业等领域都有着非常广泛的应用。

▲金属3D打印材料类型（粉末、颗粒和线材 ）

PEP与SLM的技术特点及差异

为充分挖掘不同金属３D打印技术的应用价值，本文选择了SLM与PEP这两种差异化技术路线进行解析。SLM是目前最常见的一种金属3D打印技术，采用高能激光束逐层熔化金属粉末，形成冶金结合的三维实体，可制造性能优良和较好表面粗糙度的复杂形状金属零件‌。PEP则是由升华三维推出的一种3D打印结合粉末冶金工艺的间接增材技术，其发挥了3D打印灵活成型与粉末冶金成熟后处理工艺优势，通过3D打印机制备复杂结构形状，再通过粉末冶金的脱脂烧结工艺进行后处理，最终获得致密且性能一致性好的金属结构件。

这两种技术路线都具有其独特的优势，但也存在着明显的差异点，主要体现在：

• 成型方式：SLM采用激光熔化材料原粉直接得到制品，而PEP则采用原粉加粘结剂混合后的颗粒料挤出成型，再通过烧结获得制品；

• 材料利用：SLM在打印过程中产生的未熔化粉末可以回收利用，但回收效率和利用率较低，PEP技术打印过程的材料及生坯可完全实现循环使用；

• 中空结构：SLM基于粉末床熔化技术，在制备中空结构时，存在清粉难问题，而PEP采用材料挤出成型，则可避免这一问题；

• 热处理需求：SLM打印出的零件想要获得高性能，需要做再做热处理，而PEP技术则是通过烧结步骤来实现热处理过程；

• 打印设备成本：SLM设备需要高成本的激光器组件，PEP技术则避开了昂贵的高能激光器，采用挤出式系统，同等成型尺寸空间下，设备投入成本较低。

  
  

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PEP在金属3D打印的应用优势及前景

不同路线的金属3D打印技术在应用侧重点也会存在不同。SLM技术在尺寸精度、表面质量方面表现优异，适合对这些性能要求较高的应用，如更复杂的精细结构或薄壁，在鞋模设计、燃油喷嘴批产等都有成熟的应用案例。而PEP技术在成本效益、材料适应性、和与传统工艺契合方面更具优势，特别适合如难熔金属及合金的3D打印。但同时也会受到一定限制。SLM设备相对昂贵，制造速度偏低，工艺参数复杂。目前主要采用配置多激光器方式来实现大尺寸和打印效率，但在制品性能一致性方面不好控制，相应的设备成本也会进一步增加。PEP对材料的高适应性，在新材料和产品开发领域具有较高的应用价值，且能更好地控制成品的材料成分。但在工业化应用方面，则可能需要额外的后处理，如抛光、涂层或CNC以获得更好的精度和外观。

金属3D打印的优势在于可以制造传统工艺无法加工的复杂部件。在实现轻量化、复杂几何形状和一体化结构等方面具有独特优势。但3D打印的金属零件如果想应用到工业方向，往往需要二次加工才能使用。采用3D打印实现产品的近净成型，再利用传统CNC工艺完成精加工，增减工艺配合使用将会是增材制造的重要发展方向，而增减材一体化设备的开发与应用在将来会占据重要地位。PEP技术因其绿色环保和可持续发展的特性，有助于减少能源消耗和环境污染，符合当前制造业的环保趋势，市场潜力巨大。而PEP在金属打印方面，工艺也已逐渐成熟，有望在科研教育、工业制造、航天航空、国防、核工业等多个应用领域进一步渗透。