3D打印金属粉是什么?

发布时间：

2025-02-11

3D打印金属粉末的性能跟粉末的粒度分布、颗粒形貌息息相关。同时，现有的各种生产工艺生产的粉体都存在粒形、粒径相关问题。这使得粒型、粒度分布检测和生产工艺过程控制成为3D打印技术中的重要环节。引入先进的粒度、形貌检测设备，为工艺改进、生产控制、产品质检提供科学数据是势在必行的。

3D 打印技术，虽说在大众生活里还不太常见，但它已然开启了制造业的全新篇章。与传统制造方式截然不同，它作为增材制造技术的典型代表，能将复杂结构的三维物体轻松构建出来。

3D 打印的突出优势体现在制造复杂结构和实现个性化定制上。在汽车工业里，那些设计精妙、结构复杂的零部件，过去制造起来工序繁琐，如今借助 3D 打印技术就能高效完成；航天航空领域对零部件的精度和复杂程度要求极高，3D 打印技术也能充分满足；医疗领域中，为患者量身定制的假肢、植入物等，3D 打印同样大显身手。总之，在这些行业里，许多以往制造难度大的复杂结构体，如今都能通过 3D 打印轻松实现

3D 打印技术若想在制造业获得更高的普及度，新兴材料的发展是关键要素之一。3D 打印材料的技术水准和产品丰富程度，对整个 3D 打印产业的发展起着重要的支撑作用。当下，市场上应用较为广泛的 3D 打印材料主要涵盖塑料和金属这两大类别。塑料类包含 ABS、PLA、尼龙、光聚合物等；金属类则有钢、银、金、钛、铝等单质以及它们的合金。这些材料的形态通常呈现为粉末状、丝状、层片状和液体状。

从当下市场状况而言，在消费级产品的制造领域，塑料类材料占据主流地位。其生产所涉及的材料主要为 ABS、PLA、尼龙以及光聚合物这四种。不过，要是站在市场需求以及大工业、高科技产业的视角去分析，通过 3D 打印制作的金属类材料产品，拥有更为广阔的发展前景。特别是在航空航天领域，金属 3D 打印能制造出复杂且高性能的零部件，满足飞行器对轻量化与高强度的严苛要求；在军工方面，可实现武器装备的快速定制和零部件的及时替换；于汽车行业，有助于打造更具创新性的车身结构与发动机部件；医疗行业中，能为患者定制个性化的植入物和医疗器械。所以，金属类材料在这些行业的应用上，展现出极大的发展潜力和上升空间。

当前，全球 3D 打印耗材市场正以迅猛之势扩张，年增长率突破 20%。在这一蓬勃发展的市场中，各类材料的表现各有千秋。塑料 3D 打印材料尽管目前仍占据近 50% 的市场份额，在 3D 打印领域有着广泛应用，但其增长态势却不及金属粉末。近年来，金属粉末尤其是以钛合金粉末为代表的材料，需求增长速率一骑绝尘，远远超过塑料材料。从发展趋势来看，在未来短短几年内，金属粉末将凭借强劲的增长势头，全面超越塑料 3D 打印耗材，在市场中占据主导地位，成为推动 3D 打印行业发展的核心力量。

1、金属3D打印技术基本原理：

在进行金属 3D 打印时，首先要借助计算机中的 CAD 设计软件，精心构建出三维模型，完成后将其导出为 STL 文件格式。随后，这个三维模型会被横向切割成多个层次。3D 打印机依据生成的数字三维数据，操控高能激光束或者电子束，让它们逐层熔化金属粉末，通过这样的方式，逐步构建出立体且复杂的工件。

根据在加工过程中金属粉末材料使用工艺的不同，常见的金属 3D 打印技术主要有以下几种类型：

激光选区熔化（SLM）技术：该技术利用高能激光束，对预先均匀铺展好的金属粉末原料进行照射，使其熔化，就这样一层一层地 “打印”，最终形成所需的工件。
激光近净成型（LENS）技术：其工作原理是，使用高能激光按照预先编写好的打印轨迹，将同步供给的金属粉末熔化。这种技术适用于不锈钢、钛及钛合金、Co-Cr-Mo 合金等多种金属粉末的 3D 打印制造。
电子束选区熔化（EBSM）技术：此技术采用电子束照射预先铺好的金属粉末原料，从形式上看，它与 SLM 技术较为相似。
纳米颗粒喷射金属成型（NPJ）技术：这项技术采用的是高温液态的 “铁水”，其中包含纳米合金颗粒。这些金属以液体状态进入 3D 打印机，打印机通过喷射含有金属纳米颗粒的 “铁水” 来实现成型。

2、3D打印金属粉体材料

金属粉体材料作为金属 3D 打印工艺的关键原材料，其基本性能与成型制品的品质紧密相关。在金属 3D 打印中，对粉体在化学成分、颗粒形貌、粒度分布、流动性等方面有着严格要求。目前，主流的 3D 打印金属粉末制备方法包含气雾化法（GA）、等离子旋转电极法（PREP）、等离子雾化法（PA），还有射频等离子球化法（PS）等等。

气雾化法的工作原理是借助高速流动的惰性气体，对液态金属进行喷射。在这一过程中，液态金属被雾化，随后经过冷凝，最终形成球形粉末。这种方法制备出的粉末具有一些显著特点，比如粒度分布范围较宽，平均粒径较小，而且杂质相对容易控制。然而，受气雾化法工艺特性的影响，生产出的粉末也存在一些弊端。例如，颗粒内部容易产生气泡，粉末形状不够均匀，还可能出现行星球等状况，这些问题在一定程度上会影响粉末在金属 3D 打印中的使用效果。

粉体理想状态

A卫星球 B不规则、内部气泡（缺陷）

在生产高纯球形钛粉的技术中，等离子旋转电极雾化法（PREP）是一种常用的离心雾化技术。它的独特之处在于，摒弃了高速惰性气体雾化金属液流的方式，这一改进有效避免了因 “伞效应” 而产生空心粉和卫星粉颗粒的问题。凭借这一优势，采用该技术制备的粉末球形度极高，可达 99.5% 以上。不过，这种工艺也存在一定的局限性，其制造的粉末粒径分布相对较窄，主要集中在 50 - 150μm，平均粒径偏大。

射频等离子球化工艺则是另一种制备球形粉末的方法。该工艺通过射频电磁场对各种气体（大多为惰性气体）施加作用，进行感应加热，进而产生射频等离子。利用等离子区的超高温度，将非球状粉末熔化。之后，粉末经历一个极大的温度梯度，迅速冷凝成球状小液滴，最终获得球形粉末。采用这种工艺得到的粉末粒度范围能够达到 20 - 50μm。在国内，一些知名企业已经将该工艺成熟应用。以应用此工艺生产的 AlSi9Cu3 打印粉为例，它具备出色的耐高温和耐腐蚀性能。经实践验证，在 SLM 工艺的打印态下，其打印力学性能表现优异，抗拉强度可达 480MPa，屈服强度可达 300MPa。

综上所述，3D打印金属粉末的性能跟粉末的粒度分布、颗粒形貌息息相关。同时，现有的各种生产工艺生产的粉体都存在粒形、粒径相关问题。这使得粒型、粒度分布检测和生产工艺过程控制成为3D打印技术中的重要环节。引入先进的粒度、形貌检测设备，为工艺改进、生产控制、产品质检提供科学数据是势在必行的。

常见3D打印金属粉体

及钛合金粉末

性能：具有高强度、低密度，其比强度高，即强度与重量的比值高；具备良好的耐腐蚀性，在多种恶劣环境下都不易被腐蚀；生物相容性优异，与人体组织的亲和性好，不会引起明显的免疫反应。
应用：在航空航天领域，用于制造发动机叶片、起落架等关键部件，可减轻飞行器重量，提高性能；在医疗领域，广泛应用于制造人工关节、牙齿植入体、骨科内固定器械等。

不锈钢粉末

性能：有良好的耐腐蚀性，能抵抗多种化学物质的侵蚀；强度和韧性较好，可在保证结构强度的同时，承受一定程度的变形而不断裂；加工性能相对较好，易于通过 3D 打印成型。
应用：常用于制造机械零件，如齿轮、轴类等，能满足一般工业环境下的使用要求；在食品、化工等对卫生和耐腐蚀有要求的行业，可用于制造管道、反应釜等设备部件；还可用于制造建筑装饰部件，如门把手、装饰线条等。

铝合金粉末

性能：密度低，重量轻，可有效减轻构件重量；比强度较高，在减轻重量的同时，能保持一定的强度；具有良好的导热和导电性，热传递和电传导性能出色；加工效率高，成型速度快。
应用：在汽车制造中，用于制造发动机缸体、车身结构件等，实现汽车轻量化，提高燃油经济性；在航空航天领域，可制造飞机机翼、机身框架等部件；在电子设备领域，用于制造散热器、外壳等，利于散热和减轻重量。

钴铬合金粉末

性能：具有极高的耐磨性，能在长期使用和摩擦过程中保持表面完整性；耐腐蚀性强，可在复杂的化学环境中稳定存在；生物相容性良好，无毒性，不会对人体产生不良影响。
应用：主要应用于医疗领域，如制造人工关节，能够承受长期的磨损和生理环境的腐蚀；在牙科修复中，用于制作牙冠、牙桥等，可提供良好的支撑和咀嚼功能。

镍基合金粉末

性能：高温强度高，在高温环境下仍能保持良好的力学性能；抗氧化性和耐腐蚀性极佳，能在高温、氧化等恶劣条件下稳定工作；具有良好的热稳定性，在温度变化时，材料的性能波动较小。
应用：在航空航天领域，用于制造发动机的高温部件，如涡轮叶片、燃烧室等；在能源领域，可用于制造石油化工中的高温反应器、燃气轮机部件等，能在高温、高压和强腐蚀环境下可靠运行。

铜及铜合金粉末

性能：具有优异的导电性和导热性，是电气和热传导领域的理想材料；有一定的耐腐蚀性，在一些特定环境下能保持稳定；塑性较好，易于加工成型。
应用：在电气领域，用于制造电线、电缆、电气连接件等，可确保高效的电流传输；在电子设备中，用于制造散热器、芯片封装等，能快速将热量散发出去；在艺术领域，可用于 3D 打印艺术雕塑等作品，利用其良好的成型性和独特的色泽。

铁基合金粉末

性能：成本相对较低，具有较高的强度和硬度，可满足一般工程结构的强度要求；具备一定的耐磨性和耐腐蚀性，能在常规使用环境下保持性能稳定。
应用：广泛应用于机械制造领域，用于制造各种机械零件，如齿轮、凸轮、轴类等；在模具制造中，可用于制造注塑模具、冲压模具等，能承受一定的压力和磨损。

贵金属粉末

性能：具有独特的物理和化学性质，如金的化学稳定性极高，不易被氧化；银的导电性和导热性在所有金属中名列前茅；铂具有良好的催化性能。
应用：在珠宝首饰制造中，用于打印复杂精美的首饰款式；在电子封装领域，利用其优良的导电性和稳定性，可用于制造高端电子元件的封装材料；在化工催化领域，铂等贵金属粉末可作为催化剂，用于加速化学反应。

镁合金粉末

性能：密度极低，是常用金属中最轻的之一，比强度和比刚度较高；具有良好的减震性能，能有效吸收振动能量；但化学性质活泼，在空气中易氧化。
应用：在航空航天和汽车领域，用于制造对重量要求极高的结构件，如飞机的内部结构件、汽车的仪表盘支架等；在电子设备中，可用于制造轻薄的外壳，在减轻重量的同时，提供一定的强度和减震性能。