3D 打印金属材料能达到常规机械加工工艺的性能吗.docx

3D 打印金属材料能达到常规机械加工工艺的性能吗.docx

《3D 打印金属材料能达到常规机械加工工艺的性能吗.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《3D 打印金属材料能达到常规机械加工工艺的性能吗.docx（5页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

3D打印金属材料能达到常规机械加工工艺的性能吗

3D打印金属材料能达到常规机械加工工艺的性能吗？

很多人印象中金属3D打印是一层一层粉末烧结起来的，层间结合肯定不会太好，有缺陷，力学性能也不会超过传统成形方式。

其实金属3D打印层与层之间靠熔池结合，纵向性能并不差，甚至可能会超过横向。

随着技术进步，现在金属3D打印的性能已经远超铸件，赶超锻件了。

举个刚刚测试的例子：

304L不锈钢，成形态未经热处理，纵向拉伸试棒。

打印层厚：

40μm，设备为我公司自主研发SLM设备。

304L不锈钢，成形态未经热处理，纵向拉伸试棒。

打印层厚：

40μm，设备为我公司自主研发SLM设备。

可以看出试棒有效段整体收缩，塑性很好。

力学性能结果如下：

断后延伸率超过50%，断面收缩率超过60%，抗拉强度637MPa，屈服强度607MPa。

断后延伸率超过50%，断面收缩率超过60%，抗拉强度637MPa，屈服强度607MPa。

接下来是成形态横向拉伸试棒的力学性能测试结果：

（手机拍的，效果有点渣）（手机拍的，效果有点渣）

断后伸长率超过40%，断面收缩率超过70%，抗拉强度746MPa，屈服强度617MPa。

这还是没有经过固溶处理的。

看看国标GB/T1220-2007的规定：

抗拉强度不小于480MPa，屈服强度不小于175MPa，断后伸长率不小于40%，断面收缩率不小于60%。

抗拉强度不小于480MPa，屈服强度不小于175MPa，断后伸长率不小于40%，断面收缩率不小于60%。

我们成形态的性能都已经达到了国标要求。

下午拉固溶后的棒子，有数据再补充。

…………………………

固溶处理后的拉伸棒性能结果出来了：

横向：

断后延伸率：

49.93%，断口收缩率：

65.94%，抗拉强度：

696.52MPa，屈服强度：

435.38MPa，弹性模量：

218.6GPa。

纵向：

断后延伸率：

73.39%，断口收缩率：

72.64%，抗拉强度：

616.95MPa，屈服强度：

402.12MPa，弹性模量：

202.2GPa。

固溶处理后，纵向比横向塑性好，横向比纵向强度高，都满足国标要求。

知乎用户“3d打印”虽然说有被媒体炒作的成分，但3D打印的实用性也不是一点没有。

就拿最常用的SLS激光烧结工艺，国内外众多企业不仅借助其做模具，做结构件也有实用，最轰动的就是中国歼-15战斗机的机翼。

3D打印快速成型技术，已经出现几十年，在生产制造领域的应用研究已经取得了一些进度。

3D打印金属的性能在某些领域已经接近甚至超越传统的常规加工。

从材料角度讲，传统常规工艺采用原始的液体、固体、粉末等材料，材料本身无特殊处理；而3D打印使用的金属粉末材料，是经过特殊处理的，加入了更多成分元素，已经具有了屈伸强度、拉伸强度、延伸率、杨氏模量、硬度、断裂拉伸界点、热膨胀系数、弹性模数、熔度范围、耐腐蚀性、粘合强度等几十项指标。

而此类材料的性能是经过研究、测试、引用，已经证明是符合结构件的需求。

另外，3D打印设备工艺的性能改进优化，对金属打印的精度、致密度也有极大提升。

例如3DSystems公司ProX设备在铺粉工艺、扫描定位技术等方面的优化，让金属3D打印实现了更高的精度汪小波修炼中谢邀。

我大学虽然学的是金属材料成型，但是基本忘得差不多了，现在做的也是塑料的FDM打印，不熟悉金属3D打印，再邀请我回答问题，可以邀请我回答我会的啊=.=

只说下根据我已有的知识体系的看法，不一定对。

我的看法是，金属3D打印的部件，经过热处理后，强度应该可以与传统砂型铸造相当甚至优于传统铸造，但是无法媲美传统冷加工（CNC、加工中心这类的）金属结构件，也比不上锻造件的性能。

上面匿名用户提到的单晶铸造，就更加比不上了。

精度方面，如果做有精度要求的结构件，肯定是需要一定的后加工的。

金属3D打印在强度上最大的缺陷，一个是部件是一层层叠起来的，所以在堆叠的方向上，抗剪切性能很差，另外一个缺陷是，致密性可能不如普通锻造件。

所以也只好拿金属3D打印和传统的砂型铸造对比了。

砂型铸造（其他消失模铸造等传统铸造也相似）也会有铸造缺陷：

冷却不均匀；浇铸过程中会夹杂空气形成气孔形成缺陷；首先于结构，部分金属液体很难快速填充到的地方会有成型缺陷。

不记得专业的术语应该怎么说了，这三种就是主要的几种问题了。

所以对比来看的话，金属3D打印的强度除了剪切力问题外，其他与铸造应该是相当，甚至更优的。

另外，还有一种工艺是焊接，也可以类比一下。

焊接区会形成合金，强度非常好，但是在过渡区，一般强度会差很多。

一般金属焊接件出现问题，也多是在过渡区出现断裂的问题。

写到这里，我更感觉金属3D打印，结合了铸造和焊接的特点。

在打印每一层时，是金属从液态冷却下来，与铸造相似；层与层之间，是液态金属与下一层已经凝固的同种金属焊接在一起。

这样来看的话，我觉得金属3D打印是结合了铸造和焊接的优点，并避免了两者的缺陷，整体下来，强度是会优于这两种工艺的。

我没搞这方面的研究，如果有搞研究的人，应该可以找到关于金属3D打印强度的数据，数据最能说明问题。

上面@赵浩就是搞这方面技术的，可以回答深入一点~搞出些专业的数据来说明下问题啊~====================================

有没有用呢？

废话，没用的话为啥国家会大力支持搞金属3D打印这种工艺啊。

国家说要大力扶持的，奥观海说米国要投资搞的，不是我们做玩具的这种FDM打印，主要搞的就是金属3D打印。

在战略层面，3D打印真的不是噱头，不然的话NASA也为了炒作才把3D打印机发射到太空中去做试验，说明他们紧跟时尚潮流？

用在什么地方呢？

我个人觉得是用在对结构复杂度有要求、但是对强度要求不高的地方。

涡轮发动机的叶轮能用么？

当然不行了。

但是如果只是一个其他受力不大的金属结构件，应该是可以使用3D打印的部件的。

例如下面这个案例：

劳斯莱斯3D打印最大部件的飞机发动机。

前两天又看到这样一个新闻：

NASA开发了新的技术，有可能可以用来混合打几种材料，这就是传统工艺很难做到的事。

航空界要轰动了！

NASA开发新型混合多种合金的3D打印技术技术在进步，3D打印的发展非常快。

现在3D打印的各种炒作、噱头是很多，但是不能被噱头、炒作蒙蔽了双眼，全盘否定3D打印，那样会是另外一种固执。

张勇魔猴网科技个性梦想有媒体形容2016年是金属3D打印的元年，倒不是因为金属3D打印是新生事物，而是金属3D打印开始进入主流生产的视线，标志性事件就是通用一掷千金收购的ConceptLaser和Acram，投入3D打印行业；国内做金属设备、金属粉末的更是一窝蜂一般，一个接一个，令人目接不暇。

当然还有一个重要的因素就是金属3D打印的价格在下降，性能在提升，市场接受度在增加。

未来金属打印必将成为3D打印的主流，特别是SLM技术的成熟，金属打印件的成型强度、性能不亚于锻件，而金属打印所能达到的境界却不是传统制造所能达到的。

魔猴网是国内最大的互联网3D打印服务商，是连接用户和设计师的平台，拥有自营3D打印机300多台，分布在北京、安徽、浙江、湖北和广东，2016年打印物品超过50万件，提供从3D扫描、3D设计到后处理的一站式，全套3D数字化制造服务，覆盖包括金属、塑料、树脂等30多种打印材料。

随着魔猴网客户打印金属的需求越来越多，魔猴网感觉急需普及金属3D打印如何设计——大众对于金属3D打印还存在着这样或者那样的误解，而厂家也有意无意夸大工艺能力。

魔猴网也希望能通过自己的一些努力，能对大家的设计实践工作有一定帮助，推动金属3D打印在中国的发展。

首先明确一点，在谈金属3D打印生产的时候，不是替代生产已有部件，这是大众最常见的误解之一，生产已有的部件，可以说绝大多数情况金属3D打印不占优势；不管是机加工，铸造，钣金和焊接，传统的工艺都非常成熟，可以由传统工艺乘除的传统部件，无论成本还是效率，金属3D打印不占优势。

当然，如果只是想做个原型，金属3D打印也还是有应用的，好处是快，而且可以用跟最终产品一致的材料，这是金属3D打印的比较传统应用，我们更多想谈谈为金属3D打印生产的设计。

那么为什么要用金属3d打印生产？

这就需要了解金属3D打印设计了，金属3D打印就是通过金属3D打印设计来达到综合成本降低的目的。

通过金属3D打印要达到四大目的：

1.减少零件的个数；2减轻重量；3.减少装配；4.制作高复杂零件，通过这“三减一高”来达到降低综合成本的目的；举例来讲，通用航空在网上发起了一个金属3D打印设计大赛，原有飞机上一个零件重2033g（如图所示），面向公众征集3D打印设计，要求能满足强度和装配要求，越轻越好，最轻者获胜；比赛吸引了大量网友的参与，3D打印最大的一个好处就是它所谓赋予的设计自由度，图4所展示的所有的设计都满足了原有的约束条件，都能满足安装和强度要求，还大幅减轻了重量，最后的获胜者是图5，327g，几乎是原来重量的十分之一，确切的讲是是原来重量的16%！

这对于“寸重寸金”的航空业来说，无疑是一次革命；每一个减少1706g重量，相当于每年减少几十万的燃料费，减少上万吨的碳排放；这就是3D打印的综合成本，不是单单制造成本，而是考虑综合的效应，这对于减重需求强烈的航空业非常明显，优势巨大。

不仅是航空业，金属3D打印所能做的随行冷却模具，也有类似的综合成本优势，有机会魔猴在展开了给大家讲一下。

谈完了重要的基本原则和目标，我们来聊一些干货，都是金属3D打印设计所急需的一些知识，希望能给大家在设计过程中以启迪，这些参数可能和厂家给的并不一致，多数都是实践中得到，比方说壁厚，厂家如果说能用0.2，但实践中0.2可能并不稳定。

另外图中所涉及到的数字，可能和不同种类的3d打印机有一定关系，不同的设备，数值有可能不一样，但可以说基本上不会相差太大；首先第一点，金属3D打印和其他3D打印一样，都要求3D数字文件满足实体性、水密性等等基本要求，魔猴网在之前已经有了总结，不太了解的同学可以移步到3D打印设计规范，看看3D打印的基础设计规范。

再来聊一下金属3D打印的具体要求：

1.最小细节特征最小细节特征不小于0.15mm,也就是说小于0.15mm的特征、细节，有可能会被忽略，表现不出来。

比方说一个0.1的卡槽，尽管最小光斑可以小于0.15mm，由于细节是有特征的，特征有可能被忽略；2.最小壁厚最小壁厚可以达到0.2mm,但建议不要小于0.5mm,最小壁厚还跟物品的结构，还跟物品的高度和壁厚的比值有关，一般来讲这个比值不要超过40，超过40就有可能发生走形的情况；

3.表面光洁度表面的粗糙程度，光滑程度和三个因素有关：

（1）打印材料；

（2）建造参数；（3）零件摆放方向；下面列表总结了几种常见3D打印材料，在不同的打印情况下，表面粗糙度的情况，设备，形状，摆放等等，都对表面有影响，总体来说垂直比倾斜表面好，倾斜上表面好于下表面。

4.支持结构江湖一直有个传说，使用粉末3D打印技术不需要支撑，这可能对SLS塑料是成立的，但对于金属3D打印，支撑是需要的，而且很多时候还是必要的；金属3D打印的支撑的主要作用有：

（1）与打印平台连接；

（2）保住零件的形状；（3）防止翘边；因此，金属3D打印有可能产生大量支撑结构，这就造成了两个问题，一个就是额外的费用，这里有个“秘密”，魔猴网在线报价涉及到支撑都是给的最低价格，有很多甚至直接免费没有算支撑，对于金属3D打印，这对魔猴网来说是比较吃亏，对广大用户确是利好，这也许就是传说中的“老板疯了”；第二个就是额外的工序，主要是指去支撑，有时候支撑去的让人怀疑人生，这毕竟是金属支撑，不是塑料支撑，打磨也是痛苦。

那怎么办？

就这么忍受吗？

其实不应该，应该发挥3D打印所能带来的设计自由度，设计出来支撑很少，性能更好的部件，举例来说，下面一个零件，传统的结构，如果要直接打印，产生支撑是非常多的，重新设计之后（右），基本上不需要支撑，强度更高，是用蜂窝状结构，重量还减少。

支撑产生的角度不同的设备和材料可能不一样，多数情况下，单靠粉末来支撑倾斜角是不够的。

如图所示小于30度，基本上不加支撑就不能看了。

5.悬空横截面上面一层比上一层大，就产生了悬空。

金属3D打印对悬空的容忍度是比较低的，大于0.5mm的悬空就会产生问题。

内孔一般有自支撑结构，一般情况对打印影响不大，这对于生产随性冷却模具是非常有利的。

但是，如果孔径太大，也会产生问题。

如图所示，一般孔径小于8mm，都可以达到自支撑的效果，大于8mm，会产生悬空的问题。

6.桥接结构桥接结构所允许的距离大约是2mm，还是比较小的。

7.内应力-翘曲内应力是金属3D打印所必须要面对的一个问题，当打印物品的横截面变化很大的时候容易产生比较大的内应力，另外大面积平整表面，也会产生很强的内应力，这种内应力非常大，可以把打印基座拉变形，甚至切断螺栓。

这需要我们在设计的时候，避免横截面突然由较小变到交大，要逐步过渡；另外避免使用大面积平整平面，换个思路想一下，如果需要一块比较平整的平面，为啥要用3D打印呢？

8.其他设计技巧金属3D打印非常适合打印网格状的结构，这些网格状的结构，很适合做内支撑，既能减重，强度还能保留；要考虑打印完毕后支撑的去取和粉末的去除，要留出支撑和粉末去除的入口，不能打完了支撑被永久封到了内部。

最后，给大家一个3D打印金属设计的真是示例，大家可以体验一下。

第一版设计：

就是原始零件的设计图，需要三个部件来组装，更要命的是产生的支撑太多！

第二版设计：

零件整合，变为两个零件，但是支撑还是令人绝望，需要的时间和生产效率都太低。

第三版设计：

三个零件最终变为一个零件，不再需要装备，而且，新的结构几乎不需要支撑，最后表面成型质量还最好，而且也很好的考虑了可能产出的翘起，这样打印，几乎不可能产生翘起！

总结来说，金属3D打印开启了全新的设计选项，解放了设计的自由度，让更多的设计可能变为了现实。

但是，金属3D打印不会取代传统的制造方式，各有所长，互为补充。

了解金属3D打印的规范，才能最大程度得到金属3D打印的好处，希望能帮助到需要金属3D打印的朋友们，这也是魔猴网的一点小心意。

赵浩材料学-钛合金-增材制造事实上3D打印做出来的器件是有可能达到很高力学性能的，最近参加一次学术会议看到澳大利亚的一个组（WeiXu,RMITUniversity）已经用激光做出来钛64打印件，达到了很强的力学性能和延展性，感兴趣的话可以查阅一下他们的论文。

我理解之所以钛合金能通过3D打印达到理想性能的关键在于它特殊的微观组织演变，尤其是在激光打印中很容易得到马氏体，然后decomposite的到非常细化的alpha+beta组织——锻造也是为了通过recrystalisation得到细化晶粒和随机化texture的目的对吗？

钛合金的强化机制主要是晶界强化和位错强化，得到超细晶粒显然能让力学性能有很大提升。

当然目前来看气孔问题还是一个很大的绊脚石，如果气孔的缺陷得以解决，3D打印带来的‘定制化’冶金学可能会创造很多新的可能性。

可以参考王华明的讲座18:

45的几句话言简意赅地概括了这一观点：

北航大学王华明教授就飞机钛合金激光快速成型的应用在中科院讲座这里有一组数据是对比Ti64Wire-arcAM（未经后期处理）与锻件的对比，拉伸强度800MPa:

1000MPa，应变2~9%:

11~12%，目前还没找到EBM和SLM的力学性能数据，欢迎补充。

PS：

本人的材料学功底一般，如有错误欢迎批评指正！

感谢！

吕朕Intern@SLMSolutionsSingapore/热爱工科截止2013年6月，学术界与工业界普遍认为：

由选择性激光融化技术（SelectiveLaserMelting）（感谢@杜道中指出这里的翻译错误）直接制造出来的金属3D打印部件所能达到的性能超过了铸造件，并且可以逼近锻造件的质量。

参考文献：

3D打印行业报告，WohlersReport.Additivemanufacturingand3DPrintingstateoftheindustryannualworldwideprogressreportColorado:

WohlersAssociates;2013目前由选择性激光烧结制造出的金属3D打印部件在性能上应该是已经可以和锻造件相媲美了。

而且一般工业应用中直接由3D打印制造出来的金属部件还会再经过一系列地加工后才会进入实用。

想来知乎工作？

请发送邮件到jobs@