终极指南：3D打印钢材的定义、分类、制作工艺及应用

导读：3D打印技术正日益强大，材料不仅限于塑料和树脂，还扩展到金属领域，其中也包括钢材。通过3D打印钢材，可以制造更加复杂的结构，同时也能够生产更高强度的零件和构件。

目前，3D打印钢的应用领域非常广泛，例如，航空航天、汽车制造、复杂模具、医疗、能源动力、轨道交通等。无论需要替换零件、模具工具、固定装置还是任何传统上由钢制成的东西，3D打印都可以提供更快、更便宜、更高效的方法。

3D打印钢材的优势

3D打印钢部件的强度可以与传统制造方法制造的钢部件一样强，甚至更强。在某些条件下，用激光粉末床熔融（LPBF）3D打印机制造的不锈钢零件的强度是用传统技术制造的不锈钢零件的三倍。最近的另一项研究表明，不锈钢3D打印零件在沉淀硬化热处理后表现出的屈服强度（1157 MPa）与锻造零件相当。

图片来源：Desktop Metal

3D打印钢的主要优势不仅在于其强度，还在于其独特的能力，可以创建具有内部通道（例如模具中的随形冷却通道）和晶格填充的零件，而这是传统方法无法制造的。

图片来源：MX3D

金属3D打印可以比传统制造更快地生产零件，制造商还可以重新设计零件，将多个组件整合为一个可3D打印的零件，从而消除组装或焊接获得更好的零件性能，这通常意味着制造时所需的钢材更少，重量也更轻。
3D打印钢材也是一种更具可持续性和成本效益的做法，因为它可以减少浪费。相比于数控加工等减材制造的方法，通过增材制造，只需使用最终零件所需的材料。
虽然3D打印钢材有很多的优势，但这并不代表这项极具潜力的技术要在所有应用中取代传统方法，但它可能在某些时候是更好的选择。

3D打印钢材的分类及特征

传统制造中使用了数千种具有不同机械性能的钢和钢合金，但在3D打印中可能有几十种，主要的钢材包括：

• 不锈钢（316L、304L、17-4 PH、15-5PH、420、254、PH1、GP1、630、410）
• 工具钢（D2、M2、H13、H11、MS1、1.2709）
• 低合金钢(4140)
• 表面硬化钢(20MnCr5)
  

其中，最常用的是316L不锈钢、304奥氏体不锈钢、17-4PH和15-5PH马氏体沉淀硬化不锈钢、18Ni300 (1.2709)马氏体时效钢和H13工具钢。

图片来源：GKN Additive

接下来我们将重点介绍工具钢、马氏体钢和不锈钢。
1、工具钢和马氏体钢
工具钢之所以广泛应用，源于其出色的硬度、耐磨性、抗形变能力以及在高温下保持切削刃的能力。模具H13热作工具钢就是其中之一，它能够承受不确定时间的工艺条件。
马氏体钢，以马氏体300为例，又被称为“马氏体时效”钢，在时效过程中具有高强度、韧性和尺寸稳定性，这些特点众所周知。与其他钢材不同的是，它们不含碳，属于金属间化合物，通过富含镍、钴和钼的冶金反应来硬化。
2、不锈钢
不锈钢是目前金属3D打印应用最广泛的材料，常见的有奥氏体不锈钢和马氏体不锈钢。不锈钢具有优异的防锈、耐磨、耐腐蚀等特性，且其强度超越许多钢材，可适用于99%的工业应用；同时，在相同重量下，不锈钢材料通常价格最低，这是其最大的优势之一。
目前，用于金属3D打印的不锈钢主要包括三种：奥氏体不锈钢316L、马氏体不锈钢15-5PH、马氏体不锈钢17-4PH。

3D打印钢材的制作工艺

3D打印钢材的强度、性能和应用在很大程度上取决于使用的3D打印技术。某些方法可以生产出更坚固的3D打印钢部件，其他方法可以生产出更好的硬度或耐磨性，而有些技术则速度非常快。
下面我们将介绍主要的金属3D打印方法、它们的特性以及一些常见应用的案例。
1、选择性激光熔化(SLM)
选择性激光熔化（SLM），又称粉末床激光熔融（LPBF），是最常见的金属3D打印技术，约占金属3D打印机市场的80%。

图片来源：GE Additive

该技术选用激光作为能量源，按照切片模型中规划好的路径在金属粉末床层进行逐层扫描，扫描过的金属粉末通过熔化、凝固，最终获得模型所设计的金属零件。SLM 3D打印技术能直接成型出近乎全致密且力学性能良好的金属零件，其中钢和钢合金是SLM机器最受欢迎的材料，在商业上也拥有广泛应用。

图片来源：毅速科技

以模具应用为例，SLM3D打印技术在模具行业的应用重新定义了冷却水路。通过几乎无所不能的水路设计，成功地解决了塑料制品生产中因冷却不均匀而导致的变形、缩水和浇口区域高温等问题。在这一特定领域，毅速已经通过他们自主研发的设备和材料积累了大量成功的应用案例。
2、粘接剂喷射（Binder Jetting）
粘接剂喷射是另一种基于粉末床的3D打印技术。不同之处在于，它不是通过激光熔融的方式，而是使用喷墨打印头将粘合剂喷洒到粉末上，以便在所选择的区域内将粉末粘结在一起，逐层叠加以制造出所需的物体。

图片来源：GE Additive

粘接剂喷射也被认为是金属3D打印技术中最有望实现大规模生产的方法，此外，金属粘接剂喷射零件的材料特性与传统金属注射成型生产的零件相似。一些知名的制造商包括HP、GE Additive、Markforged、Desktop Metal以及武汉易制、共享装备等。

图片来源：武汉易制

报道称，苹果正在采用这项技术来制造其Apple Watch Series 9智能手表的钢制底盘原型，随后进行去脂和烧结工艺以增加其致密性，最终通过精密加工获得最终成品。
3、熔融沉积成型 (FDM)

通过FDM 3D打印结合注入不锈钢粉末的线材，可以比其他任何方法更经济地制造固体金属部件。目前市场上生产不锈钢（316L，17-4 PH）金属线材的材料供应商包括巴斯夫Forward AM等公司。

图片来源：Raise 3D

这些线材通常由大约80%的金属和20%的塑料混合物组成。在打印完成后，需要进行后处理工作，去除塑料，从而获得类似于金属注射成型的金属部件，但这可能会导致部件体积损失高达三分之一，因此在开始打印之前需要考虑这一因素。
目前，包括Raise3D复志科技、UltiMaker、BCN3D等在内的FDM 打印机制造商都有开发相关设备。另一项技术使用的是具有更高浓度的金属线材，能够完成该材料打印的目前只有Markforged和Desktop Metal。

图片来源：升华三维

线材并不是FDM 打印的唯一材料选择，升华三维等少数公司提供使用金属颗粒进行挤出的FDM 3D打印机。上图展示的正是通过升华三维的3D打印机，结合不锈钢颗粒和金属聚合物复合材料，首先打印出原型模型，然后通过脱脂和烧结工艺，制造出最终致密的不锈钢金属部件。
4、结合金属沉积 (BMD)
结合金属沉积（BMD）技术由Desktop Metal开发，类似于FDM，它使用金属丝材料，通过电感等方式将丝材熔化，然后在静电力或磁场等作用下控制喷嘴上液滴的表面张力，将金属液滴在成形平台上沉积，这一技术更接近于传统的金属注射成型（MIM）技术。此外，还需要后处理去除粘合剂以及在炉中进行热处理以进行最终烧结。

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目前，市场上使用这种方法的3D打印机并不多，主要包括Desktop Metal和Markforged 3D打印机。目前共有四种不同类型的钢材可选，这项技术主要用于制造钢制原型零件，典型的应用包括成型工具、冲压模具、喷嘴、叶轮、固定装置和热交换器等领域。

图片来源：Markforged

以医疗应用为例，Shukla Medical公司采用Markforged Metal X金属3D打印机与17-4 PH不锈钢材料相结合，制造外科手术原型工具。这不仅缩短了制造时间，还允许更加复杂的形状设计。
5、粉末床电子束熔融(EBM)
电子束熔融（EBM）是另一种粉末床熔化技术。其工作原理类似于选择性激光熔化（SLM），不同之处在于它使用更高温的电子束而不是激光作为能源。再涂层器将一层粉末涂布在构建平台上，然后电子束有选择性地熔化粉末的每个横截面，每完成一层后，打印平台板就会下降，逐层叠加形成物体。

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EBM速度比SLM快得多，但制造出的零件表面光滑度和精度不如SLM。此外，EBM工艺是在真空室中进行的，从而减少了可能导致缺陷的材料杂质。这项技术最早由瑞典的Arcam公司开发，后来该公司被GE Additive收购。在国内，代表性的企业包括西安赛隆增材和天津清研智束。

图片来源：西安赛隆

目前，EBM电子束熔融技术在临床骨科领域有广泛应用，包括椎间融合器、人工椎体、髋臼杯、植入物等，但主要以钛合金为主要应用材料。
6、冷喷涂
冷喷涂增材制造技术是一种基于高速粒子固态沉积的涂层制备方法。在这个过程中，喷涂粒子在固态状态下与基体发生碰撞，经历剧烈的塑性变形，最终沉积形成涂层。这种技术在制备块材和零部件时不会对基体产生热影响，因此可以作为近乎净成形技术，直接喷涂制备所需的材料和零件。

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冷喷涂印刷材料不容易出现孔隙、热裂纹或其他常见于熔融技术的问题。相对于其他制造方法，冷喷涂无需进行后处理，而且通常具有较小的碳足迹。目前，该技术被广泛用于世界各地的军事和航空航天修复应用中。

图片来源：超卓航科

以航空航天应用来看，超卓航科是国内为数不多的掌握冷喷涂增材制造技术并将其产业化应用于航空器维修和再制造领域的企业之一。他们将这项技术用于航空机载设备的维修业务，包括军用和民用航空器的气动附件、液压附件、燃油附件以及电气附件的修复。
7、直接能量沉积(DED)和电弧熔丝增材制造 (WAAM)
直接能量沉积（DED）采用喷嘴将吹制粉末或焊丝送入，同时引入电源来熔化金属，形成熔池，然后将其应用到构建基底上。DED通常适用于制造大型物体，也适用于需要大量加工的复杂几何形状。

图片来源：MX3D

由于DED采用熔覆工艺，因此可用于向现有的钢部件添加复杂的几何形状，从而将复杂性与成本的降低相结合。与DED相关的另一项技术是电弧增材制造（WAAM）。WAAM不使用粉末，而是使用金属丝，通过电弧将其熔化，这个过程由机械臂来控制。

图片来源：英尼格玛

以无人车应用为例，通常需要高度定制化的设计，特别是对于那些需要拓扑结构以减轻重量并增强底盘强度的情况。然而，拓扑结构的形状往往非常复杂，传统的铸造方法难以实现。英尼格玛采用自研的电弧增材制造技术，使得制造高度定制化的无人车成为可能。
8、微型金属3D打印

微型3D打印能够以几微米（甚至更小）的分辨率来打印零件，有三种微型金属3D打印方法用于制造金属零件。

图片来源：3D MicroPrint

电化学沉积是由瑞士Exaddon公司开发的一种先进的微型金属3D打印工艺。在这个过程中，打印喷嘴将注入金属离子的液体输送，以在原子水平上构建零件。
另一种微型金属3D打印方法是微型选择性激光烧结（μSLS），其中将一层金属纳米颗粒墨水涂覆到基材上，然后通过数字微镜阵列图案化的激光将纳米颗粒加热并烧结成所需的图案。然后重复这一组步骤以构建3D零件的每一层。
第三种微型金属3D打印方法是金属立体光刻技术，也称为基于光刻技术的金属制造（LMM）。它利用光聚合原理，将金属粉末均匀分散在称为浆料的光敏树脂中，然后通过选择性曝光逐层聚合。金属立体光刻技术具有出色的表面质量，主要用于微型3D打印。

最后，3D打印钢材允许制造商以更灵活、高效和可持续的方式生产零部件和产品。随着技术的不断发展，预计将会有更多新的应用领域涌现。