在科技飞速发展的当下，金属 3D 打印技术正逐渐崭露头角，从航空航天领域的复杂零部件制造，到医疗行业的定制化植入物生产，这项技术展现出了巨大的潜力。对于许多刚接触的朋友来说，金属 3D 打印或许显得有些神秘，别担心，这篇文章将带你由浅入深，了解从材料到工艺的关键知识，轻松踏入金属 3D 打印的大门。

一、认识金属3D打印材料

（一）不锈钢

不锈钢是金属 3D 打印中极为常见的材料。它具有出色的耐腐蚀性，在潮湿或酸碱环境中都不易生锈。比如，在食品加工设备、医疗器械等对卫生和耐腐蚀要求较高的领域，不锈钢 3D 打印零件应用广泛。常见的 3D 打印不锈钢材料有 316L 和 17 - 4PH 等。316L 奥氏体不锈钢，有着卓越的抗腐蚀性能，适合制造在恶劣环境下使用的零件，像海洋设备中的阀门部件。17 - 4PH 马氏体不锈钢，不仅有良好的强度和硬度，还可通过热处理调整性能，常用于制造机械结构件，如汽车发动机中的一些零件。

（二）钛合金

钛合金以其高强度、低密度和优秀的耐腐蚀性闻名。在航空航天领域，为了减轻飞行器重量并保证结构强度，钛合金 3D 打印零件被大量应用，像飞机的发动机叶片、起落架部件等。在医疗行业，由于钛合金具有良好的生物相容性，可用于制造人工关节、牙科植入物等。例如，利用 3D 打印技术制造的个性化钛合金髋关节，能更好地匹配患者的身体结构，提高植入效果。但钛合金的成本相对较高，这在一定程度上限制了它的应用范围。

（三）铝合金

铝合金最大的优势在于其轻量化特性，同时具备较好的强度和导热性能。在汽车制造中，为了降低车身重量以提高燃油经济性，铝合金 3D 打印零件用于制造发动机缸体、轮毂等部件。在电子产品领域，铝合金 3D 打印的外壳既能提供良好的散热性能，又能保证产品的轻便性和美观度。常见的 3D 打印铝合金材料如 AlSi10Mg，具有良好的铸造性能和机械性能，适合通过 3D 打印制造复杂形状的零件。

（四）高温合金

高温合金，如镍基高温合金，主要应用于航空发动机的高温部件，如涡轮叶片、燃烧室等。这些部件在高温、高压的极端环境下工作，需要材料具备出色的高温机械性能和抗氧化能力。高温合金通过 3D 打印制造，可以精确控制零件的内部结构，优化其性能。例如，3D 打印的镍基高温合金涡轮叶片，能够制造出复杂的冷却通道结构，提高叶片的冷却效率，从而提升发动机的工作效率和可靠性。但高温合金的 3D 打印工艺难度较大，对设备和工艺参数要求苛刻。

（五）铜及铜合金

铜及铜合金具有优异的导热和导电性能，因此在电气工业中应用广泛。通过 3D 打印技术制造的铜零件，可以满足一些特殊的散热和导电需求。比如，在电子设备的散热模块中，3D 打印的铜制散热鳍片能够根据设备内部空间和散热要求，设计出更高效的散热结构，提高热交换效率。在一些电气连接部件中，铜合金 3D 打印零件可优化布线结构，确保电流传输的稳定性。

二、了解金属3D打印工艺

（一）选择性激光熔化（SLM）

选择性激光熔化技术是目前应用最为广泛的金属 3D 打印工艺之一。其原理是利用高能量密度的激光束，按照预先设计好的三维模型，逐层扫描并熔化金属粉末，使其凝固成型。

在实际操作中，首先要将金属粉末均匀地铺洒在打印平台上，形成一层薄薄的粉末层。然后，激光束根据切片软件生成的路径，对这一层粉末进行选择性扫描，被激光照射到的粉末迅速吸收激光能量，温度急剧升高并熔化，随后在冷却过程中凝固成固态金属。完成一层的打印后，打印平台下降一个层厚的距离，接着再次铺粉，重复上述激光扫描熔化的过程，如此层层堆叠，最终构建出完整的三维金属零件。

SLM 技术能够制造出高精度、高致密度的金属零件，零件的表面质量相对较好，可直接用于一些对精度和性能要求较高的场合。而且，该技术能够实现复杂几何形状的制造，如内部带有复杂流道、晶格结构的零件，这是传统加工方法难以实现的。不过，SLM 技术的打印速度相对较慢，设备成本和运行成本较高，并且对金属粉末的质量和粒度要求较为严格。

（二）电子束熔化（EBM）

电子束熔化工艺则是利用电子枪发射的高能电子束作为热源，来熔化金属粉末。与 SLM 技术不同的是，EBM 技术通常在高真空环境下进行打印。

打印过程中，首先在真空腔室内的打印平台上铺展一层金属粉末，电子束按照预设的路径对粉末进行扫描，使粉末吸收电子束能量而熔化，随后凝固形成金属层。同样，通过逐层铺粉和扫描熔化，最终完成零件的制造。

由于 EBM 技术在真空环境下进行，避免了金属在熔化过程中与氧气等气体发生反应，减少了氧化和气孔等缺陷的产生，因此特别适合打印一些活性较高的金属材料，如钛合金等。同时，电子束的能量密度高，能够快速熔化粉末，打印速度相对 SLM 技术更快一些。但是，EBM 设备价格昂贵，运行和维护成本也很高，而且由于电子束的聚焦特性，其打印精度相对 SLM 技术略低，零件表面粗糙度较大，后续往往需要进行较多的后处理工作。

（三）直接能量沉积（DED）

直接能量沉积技术又称为激光熔覆沉积技术，它是将金属粉末通过送粉装置直接输送到激光聚焦点处，在激光的作用下，粉末迅速熔化并与基体材料熔合，从而实现材料的逐层堆积和零件的制造。

在 DED 工艺中，激光头与送粉装置同步移动，根据三维模型的形状和尺寸，按照预定的路径将金属粉末逐层熔覆在基体上。这种技术可以在已有零件表面添加材料，进行零件的修复或再制造，也可以直接制造全新的金属零件。

DED 技术的优势在于能够实现较大尺寸零件的快速制造，并且可以在同一零件上使用多种不同的金属材料，实现材料的梯度变化，满足零件不同部位对性能的不同要求。此外，该技术对粉末的利用率较高，材料浪费较少。然而，DED 技术制造的零件表面质量相对较差，尺寸精度较低，后续需要进行大量的机械加工来保证零件的尺寸精度和表面光洁度。

三、金属 3D 打印流程详解

（一）设计模型

金属 3D 打印的第一步是通过计算机辅助设计（CAD）软件创建三维数字模型。在设计模型时，需要充分考虑零件的功能需求、结构特点以及金属 3D 打印的工艺特性。例如，要避免设计出过于细小、薄壁或者悬臂过长的结构，因为这些结构在打印过程中可能会出现变形、塌陷等问题。对于一些复杂的零件，可以利用 CAD 软件的布尔运算、参数化设计等功能，构建出独特的几何形状。设计完成后，将模型保存为 STL 格式文件，以便后续导入 3D 打印设备。

（二）模型预处理

模型预处理主要包括切片设置和添加支撑结构。切片软件会将 STL 格式的三维模型沿 Z 轴方向切成一系列厚度均匀的二维切片，同时设置打印层厚、填充密度、打印速度等参数。层厚的选择会影响零件的精度和表面质量，一般来说，层厚越小，零件精度越高，但打印时间也会相应增加。填充密度则决定了零件内部的材料分布，对于一些对强度要求不高的零件，可以适当降低填充密度，以减少材料消耗和打印时间。

添加支撑结构是为了在打印过程中支撑悬空部分，防止其在未完全凝固时因重力作用而下垂或变形。支撑结构的设计需要根据模型的具体形状来确定，既要保证能够提供足够的支撑力，又要便于在打印完成后去除。一些先进的切片软件可以自动生成支撑结构，并根据模型的形状和受力情况进行优化。

（三）设备准备与材料装填

在打印之前，需要对 3D 打印设备进行一系列准备工作。首先，要确保设备的打印平台处于水平状态，这可以通过设备自带的调平装置进行调整。如果平台不水平，会导致打印过程中粉末铺展不均匀，从而影响零件的质量。

接着，清理设备内部残留的粉末和杂质，保证打印环境的清洁。然后，根据所选的金属材料，将经过预处理（如筛选、干燥等）的金属粉末装填到设备的粉末供给系统中。不同的金属材料对粉末的粒度、形状和流动性等有不同的要求，因此要确保所使用的粉末符合设备和材料的要求。

（四）打印过程

准备工作完成后，将预处理好的模型文件导入 3D 打印设备，启动打印程序。在打印过程中，设备会严格按照预设的参数和路径进行工作。以 SLM 技术为例，激光束会逐层扫描熔化金属粉末，每完成一层的打印，打印平台就会下降一个层厚的距离，然后再次铺粉进行下一层的打印。在这个过程中，要密切关注设备的运行状态，包括激光功率、扫描速度、粉末铺展情况等，如有异常应及时暂停打印并进行排查处理。

（五）后处理

打印完成后，零件还需要进行一系列后处理工作才能达到最终的使用要求。后处理主要包括去除支撑结构、热处理、表面处理等环节。

去除支撑结构可以采用手工去除、机械加工去除或化学腐蚀去除等方法。对于一些简单的支撑结构，可以使用钳子、锉刀等工具手工去除；对于复杂且难以手工去除的支撑结构，则可能需要通过线切割、电火花加工等机械加工方法进行去除。

热处理是为了改善零件的力学性能，消除打印过程中产生的残余应力，提高零件的强度、硬度、韧性等。常见的热处理工艺有退火、正火、淬火和回火等，具体的热处理工艺要根据零件所使用的金属材料和性能要求来确定。

表面处理的目的是提高零件的表面质量和美观度，同时增强零件的耐腐蚀性等性能。表面处理方法有很多种，如抛光、喷砂、阳极氧化、电镀等。抛光可以使零件表面更加光滑，降低表面粗糙度；喷砂可以去除零件表面的氧化皮和杂质，同时使表面形成一定的粗糙度，增强涂层的附着力；阳极氧化常用于铝合金零件，可提高零件的耐腐蚀性和绝缘性；电镀则可以在零件表面镀上一层金属，如镀铬、镀锌等，提高零件的装饰性和耐腐蚀性。

（六）质量检测

最后，要对打印完成并经过后处理的零件进行全面的质量检测。质量检测项目包括尺寸精度检测、外观检测、内部缺陷检测和力学性能检测等。

尺寸精度检测可以使用卡尺、千分尺、三坐标测量仪等工具，将零件的实际尺寸与设计尺寸进行对比，判断零件是否符合尺寸公差要求。外观检测主要通过肉眼观察或借助放大镜、显微镜等工具，检查零件表面是否有裂纹、气孔、砂眼、变形等缺陷。内部缺陷检测则需要采用无损检测技术，如 X 射线探伤、超声波探伤等，检测零件内部是否存在未熔合、夹杂等缺陷。力学性能检测包括拉伸试验、硬度测试、冲击试验等，通过这些试验来评估零件的强度、硬度、韧性等力学性能是否满足使用要求。

经过以上一系列的流程，一个合格的金属 3D 打印零件就诞生了。金属 3D 打印技术为制造业带来了全新的设计和制造理念，通过了解其材料特性和工艺过程，你也能更好地运用这项技术，实现自己的创意和想法。希望这篇文章能帮助你顺利入门金属 3D 打印领域，开启创新制造的新篇章。