金属3D打印浅析
材料和技术
各种不同的金属都可以以粉末形式用于通过3D打印制造零件，钛、钢、不锈钢、铝、铜、钴铬合金、钛、钨和镍基合金都可以粉末形式用于3D打印，金、铂、钯和银等贵金属也是如此。这些不同的金属具有不同的特性，使其适用于各种应用。例如，不锈钢具有出色的耐腐蚀性，非常适合打印管道、阀门和汽轮机零件。
从理论上讲，任何金属都可以用于3D打印，只要它有合适的粉末形式。然而，在高温下燃烧而非熔化的材料无法通过烧结或熔化进行安全处理，但可在通过喷嘴挤出进行3D打印时使用，木材、布料和纸张无法使用这些工艺进行3D打印。也可以使用烧结（在高温和极高压力下在模具内成型）从金属粉末中制造固体物品，对于熔点非常高的金属，烧结是制造物品的唯一可靠方法从这些材料中。
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而配合这些材料，还有有多种3D打印金属技术，粉末融合技术，包括直接金属激光烧结(DMLS)、SLM（选择性激光熔化）和EBM（电子束熔化），是金属增材制造中使用最广泛的技术：
直接金属激光烧结(DMLS)
这种常用的方法是使用激光逐层烧结金属粉末以形成物体，该过程实际上并不熔化金属，用于样本制作和制造成品部件，包括医疗设备和仪器。
选择性激光熔化(SLM)
该过程涉及使用激光在惰性气体环境中熔化粉末层内所需的材料，逐层进行以构建具有与通过铸造生成的参数相似的参数的对象，选择性激光熔化通常用于制造铝和钛零件，包括用于医疗、汽车和航空航天工业的零件。
电子束熔炼(EBM)
这个过程类似于选择性激光熔化，除了使用电子束而不是激光来熔化材料，电子束熔炼被认为比选择性激光熔化更快、更精确，通常用于制造钴和钛制品。电子束熔炼被航空航天工业广泛用于包括发动机部件在内的物品。
还有其他技术可以或已经用于3D打印金属，尽管这些技术不像直接金属激光烧结、选择性激光熔化或电子束熔炼那样广泛使用：
激光金属沉积(LMD)
激光金属沉积用于航空航天、汽车和医疗行业，通过将加热的金属逐层沉积在金属基板上来制造物体，允许使用不同的材料来构建零件，并且比其他方法更快。
选择性激光烧结(SLS)
与激光金属沉积类似，该工艺也使用激光来烧结粉末材料。它已被用于制造各种材料的物品，包括金属，然而，如今它主要用于烧结塑料，例如聚酰胺和尼龙。
粘合剂喷射
该工艺使用一种特殊的液体来粘合粉末材料，并且比直接金属激光烧结、选择性激光熔化或电子束熔炼更便宜。此过程提供的精度和强度并不完美，通常需要进行后处理。热等静压可用于提高成品的强度和坚固性，但这增加了成本，粘合剂喷射通常用于制造大型和复杂的样件。
主流的3D打印金属材料有哪些
目前，国内外市场上主流的金属3D打印粉末主要有铁基合金，铝基合金，钛基合金，镍基合金，钴基合金这5大类。
铁基合金：
铁基合金是工业上应用最广泛的金属材料之一，也是最早被用于3D打印的金属材料，目前适用于3D打印的铁基金属粉末包括，不锈钢，工具钢，马氏体钢等。铁基合金的打印件的身影遍布军事工业、航空航天、工业模具、汽车工业、石油化工等领域。
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铝基合金：
铝基合金因为其熔点低，制造出来的成品件轻，机械性能优异，且价格便宜，在3D打印方面的使用量一直在不断增长（许多企业有零件减重的需求，后面笔者会展开讲这个问题），但铝基合金的缺点也比较明显，因为它的重量轻，所以制成的铝合金粉末的流动性相比较其他金属粉末较差，加之激光烧结时很容易在粉末颗粒周围形成氧化层，需要在高温保护下去除，但是铝不耐高温的特性，限制了这种操作。
钛基合金：
钛和钛合金具有强度和硬度高，耐腐蚀，弹性模量低等特点，是最适用于3D打印的金属材料，但它的价格相对其他合金比较昂贵，目前主要应用在航空航天、医疗（骨科植入物）、豪华汽车、赛车和专业体育设备等领域。
镍基合金：
镍合金是一种耐高温的合金，具有良好的抗拉伸、抗疲劳和抗热疲劳性能，常用来制造需要耐高温的零部件，比如飞机发动机、燃气轮、飞机涡轮发动机等零件，广泛应用在化工，电力工业和石油天然气领域。
钴基合金：
钴基合金具有良好的高温性能、强度高、耐腐蚀性、耐磨和生物相容性等优点，多用在牙科、整形外科、航空航天等领域。
技术新发展
创建最高比强度钛合金
近日，澳大利亚工程师领导的科研团队在最新一期《自然·材料》称，他们首次使用3D打印方法，获得了迄今比强度最高的钛合金，这是航空航天、国防、能源和生物医学行业的一次重大飞跃。莫纳什大学的这项最新研究表明，尖端3D打印技术可用于生产超高强度商用钛合金，让其获得前所未有的机械性能。
研究人员解释说：“钛合金需要复杂的铸造和热机械加工，才能获得某些关键应用所需的高强度。我们发现，3D打印等增材制造技术可以利用其独特的制造工艺，在商用钛合金内制造出超强且热稳定的部件。”
在最新研究中，研究团队对一种商用钛合金进行简单的热处理后，获得了超过兆帕的抗拉强度，是迄今为止所有3D打印金属的最高比强度，为制造出拥有独特微观结构和优良性能且可广泛应用于多个领域的结构材料铺平了道路。
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过去十年，3D打印技术由于拥有几乎可以制造出任何几何零件的能力，引领了金属制造的新时代。钛合金目前是航空航天领域使用的主要3D打印金属部件，但大多数借助3D打印技术制成的商用钛合金无法获得令人满意的性能，因此，无法应用于某些领域或使用效果差强人意，特别是它们在室温和高温下的强度不足。
研究人员说：“最新研究为商用合金的沉淀强化提供了一种全新的方法，可用来生产拥有复杂形状的真实部件，可应用于承重领域，迄今没有任何钛合金应用于这一领域。此外，我们通过3D打印加上简单的热处理即做到了这一点，这也意味着，与其他拥有类似强度的材料相比，最新技术的工艺成本大大降低。”
金属3D打印
安全最重要
从实际制造来说，金属3D打印的每个阶段都会产生不同的污染源（或物质）进而会造成特定的危害。金属3D打印用的金属粉末，粒径分布通常为几十微米，可被吸入肺或肺泡。对于低密度的钛、铝及其合金都是反应性金属，风险尤其大，必须受到粉尘浓度的特定限制；其他金属粉末，如钢或其他含镍合金，则被危险物质指令分类为致癌、致突变和生殖毒性材料。对粉末颗粒的长期接触和吸入会给操作人员身体健康带来一定隐患。
不仅如此，在组件的打印过程中危险同样存在，熔化过程产生的废气除一部分会被带入过滤系统，仍可能有一部分被排出到打印系统的外置空间，从而造成室内环境的污染。随同废气的排出，一部分惰性气体如氮气尤其是氩气，也是风险的来源。设备的维护过程，如过滤系统的清洁，其中的粉尘、灰烬比金属颗粒更加细小，若处理不当，很可能会因为成分的稳定性问题发生火灾甚至爆炸。
基于对SLM工艺过程的整体评估，德国Bayreuth大学开发并评估了粉末防护的特定方案，其重点在于安全防护反应性材料Ti6AlV4。为减少危害而采取的保护措施由STOP原则确定优先级顺序，实施策略要基于流程、地点以及员工保护等关键因素。
金属粉末的处理必须格外小心，并且在可能的情况下，应在保护性气氛中进行。目前，全封闭的工艺流程正在被设备制造商所重视，以SLMSolutions为代表的金属打印机品牌商从粉末的灌装、清理甚至中途加装等所有流程均实现了全封闭操作，这种空间分割或封装最大程度的减少了粉尘的暴露和危害。在这种情况下，3D打印手套箱就成为了一种优先的设备选择。
（大型金属3D打印手套箱）
3D打印安全保护
3D打印技术作为一项前沿性、先导性非常强的新兴技术，对传统制造业的工艺改造和新材料的广泛应用具有颠覆性的意义和作用。我们制造的3D打印手套箱（增材制造保护手套箱）针对航空航天特殊零部件的加工所需要的环境而设计的：3D打印设备一般采用送粉成型或铺粉成型两种，每种成型设备其需要的手套箱设计要求不同，为此需要啊根据不同需求来设计手套箱提供可靠的解决方案。
金属3D打印惰性气体保护系统是一套高性能、高品质的自动吸收水、氧分子的超级净化防护手套箱，提供一个纯化工作环境需求的密闭循环工作系统，可以满足特定清洁要求应用的1ppm的O2和H2O惰性的氛围环境。实现了将选择性激光溶化装置本体放置在一密封箱体内，该密闭箱体与多级粉尘手机装置和风循环装置形成闭环，氩气在该闭环内循环，系统中的气氛水含量达到小于1PPM指标，氧含量达到小于1PPM指标，实现超高纯工作气氛的环境，加工的产品可直接应用，减少再处理环节，是一套满足科研开发而设计的经济型循环净化系统。
（大型金属3D打印手套箱）
技术优势
●解决3D打印手套箱大体积密封的可靠性。
●解决3D打印手套箱信号线及动力线高度集成进箱密封防干扰问题。
●解决3D打印手套箱工作时烟尘净化问题及过滤器更换周期及寿命问题。
●人性化专业化设计，箱体外形美观，箱体上大型门的密封性极好，开启方便简单。
●解3D打印手套箱送粉器送粉进气或铺粉设备镜头吹气与手套箱箱体压力控制。
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