3D打印金属材料选择指南

用于3D打印的金属

金属3D打印技术已不再局限于原型制作实验室。从航空航天到医疗器械制造等各个行业都在利用这项技术来制造高性能部件，其几何形状是传统机械加工无法实现的。随着技术的成熟，可打印金属的种类也显著增加。选择合适的材料与选择合适的机器同样重要。

工程师和采购团队如果了解每种材料的机械性能、成本特点和理想应用，就能更好地做出决策。选择不当会导致零件性能下降、成本增加或后期处理费用高昂，从而抵消增材制造的优势。无论您是制造结构件、生物医学植入物还是模具，材料选择都至关重要。

ProLean Tech与各行各业的制造商合作，为各种应用寻找最佳的金属3D打印工艺。 定制 3D 打印 资源和合理 金属3D打印成本 这些都是评估各种方案时不错的起点。

什么是金属3D打印？

金属增材制造也称为 金属3D打印它利用金属粉末、金属丝或粘结剂等材料，根据数字文件构建零件。与从材料块中去除材料的减材制造不同，增材制造工艺仅在需要的区域沉积材料。这减少了材料浪费，并能够制造出复杂的内部几何形状，而这些形状在其他机械加工中是无法实现的。

粉末床熔融、粘结粉末挤压和定向能量沉积是最常用的工艺系列。每种工艺在材料兼容性和分辨率方面都有不同的特点。您可以根据所选工艺来选择所需的金属材料。

金属3D打印：工作原理

金属3D打印晶格立方体结构

粉末床熔融是一种利用激光束或电子束逐层选择性熔化金属粉末的方法。在将每一层新的金属粉末沉积到成型平台上之前，光束会熔化下一个横截面。粘结剂粉末挤出成型则是将金属粉末与粘结剂聚合物混合，挤出成类似浓稠糊状物的形状，然后在烧结炉中烧结以去除粘结剂。两种方法都能制造出致密且功能齐全的零件，但在表面光洁度、成型时间、尺寸精度和材料选择方面各有优劣。

传统制造工艺的优势

用于 3D 打印的金属在制造需要晶格结构或有机几何形状的零件方面表现出色，而这些是机械加工无法实现的。这项技术还能缩短小批量零件或特殊零件的交货周期，并能以经济高效的方式制造诸如因科镍合金和钛合金等昂贵合金，而这些合金如果采用机械加工，成本将极其高昂。增材制造不仅是许多高价值应用领域机械加工的替代方案，而且是唯一可行的生产方法。

金属3D打印材料：五种最常用的金属

钢、高温合金和钛是应用最广泛的材料之一。 3D印刷材料 用于金属增材制造。每种材料组在机械性能、成本和应用适用性方面各有侧重，而具体牌号的选择则取决于特定的性能要求。

钢铁

钢材是3D打印机中最常用的金属之一。由于其优异的强度和刚度，钢材成为3D打印最受欢迎的金属。钢材3D打印在工业领域也应用广泛，拥有丰富的工业知识，且成本相对较低。大多数钢材类型都可用于3D打印，但不锈钢和工具钢最为常见。这些钢材加工成本高昂且难度较大。因此，增材制造对于这些钢材而言是一种经济高效的选择。

精钢

不同的金属3D打印部件

不锈钢的耐腐蚀性源于其至少含有12%的铬。不锈钢3D打印主要有两种类型：

• 奥氏体（316L）： 这种不锈钢是最常用的印刷材料，具有优异的耐腐蚀性。它可以焊接和机械加工，但不能进行热处理。它适用于化工加工、医疗器械和船舶五金等领域。
• 17-4 PH（马氏体）： 一种沉淀硬化型不锈钢，可通过热处理获得不同硬度状态下的多种机械性能。它比316L不锈钢更硬更强，但耐腐蚀性较差。广泛应用于工业制造和航空航天部件。

工具钢

工具钢专为切割、研磨和冲压等特定加工工艺而设计。这些钢材含有碳化物化合物，使其在常温和高温下均具有极高的硬度和耐磨性。三种最常见的钢材牌号为：

• A2： 一种用途广泛的冷加工工具钢，用于制造冲头、模具和通用工具。兼具良好的韧性和耐磨性。
• D2 经过优化，可为冷加工应用（包括工业刀片和分切机）提供最大的耐磨性。
• H13 这是一种高温工具钢，兼具耐热性、韧性和耐磨性，是压铸镶件和锻造模具的理想材料。

高温合金——因科镍合金和钴铬合金

金属3D打印部件

超合金能够在严苛的环境下运行，而传统合金在高温、高压和腐蚀性化学物质的侵蚀下则会遭到破坏。金属3D打印是一种经济高效的超合金生产方法，可以生产传统方法难以制造且成本高昂的超合金。

铬镍铁合金

镍基高温合金Inconel以其极高的强度、韧性和耐腐蚀性而闻名，即使在钢材会失去结构完整性的温度下也能保持优异的性能。Inconel 625具有更强的抗热疲劳和抗氧化能力，而Inconel 718则拥有卓越的强度和韧性。燃气轮机、喷气发动机密封件、排气部件和火箭硬件均广泛使用这两种合金。

钴铬

钴铬合金兼具高强度重量比、生物相容性和耐腐蚀性。对于既需要结构可靠性又需要生物相容性的应用而言，它是一种密度更高、性能更优异的钛替代品。钴铬合金可用于多种应用，包括涡轮机、工业环境和医疗器械。

钛

钛是一种强度重量比极高的材料，但传统制造工艺中原材料和加工成本也很高。这使得增材制造成为一种极具吸引力的选择。钛3D打印可以节省材料，而且其提供的几何自由度通常足以弥补钛部件单台机器较高的成本。钛可以以两种主要形式打印：

• 钛-6Al-4V： 这是增材制造中最常用的钛合金。它的重量比 17-4 PH 轻约 40%，但强度却与之相当甚至更高。它耐腐蚀且耐高温。这种合金广泛应用于航空航天结构、汽车零部件和工业硬件等领域，在这些领域，减轻重量至关重要。
• 商业纯钛： 强度低于Ti64，但无论加工条件如何，其生物相容性都更好。适用于骨科植入物、骨螺钉等医疗器械以及其他对生物整合性要求较高的医疗产品。

钛是任何生产 3D 打印金属零件的工程团队的核心材料，其重量与性能比决定了设计方向。

铜

铜在增材制造领域占据着特殊的地位。人们选择铜几乎完全是因为其优异的导热性和导电性，而非其机械性能。金属3D打印技术使工程师能够制造出几何形状经过优化的铜制部件，而这些部件如果采用机械加工或铸造等传统方法则很难制造。散热器、母线、感应线圈和焊接电极等都是其应用实例。

• 纯铜： 在所有铜基材料中，它的导热性和导电性最高。然而，其高激光反射率使其与标准粉末床熔融（PBF）激光系统不兼容，只能在粘结粉末挤出机上进行打印。
• 合金铜（例如，C18150）： 它含有1-2%的合金成分，例如铬或锌，这些成分能降低激光反射率，使其可以在某些粉末床熔融（PBF）平台上进行打印。合金铜的导电性低于纯铜，但仍优于其他金属组。

铝

铝材3D打印远不如传统制造工艺普及。这主要是因为最常用的锻造铝合金牌号6061和7075无法用标准的粉末床熔融（PBF）系统进行打印。含硅量高达12%的铸造级铝合金可以打印，但其机械性能不如锻造铝合金。由于标准铝材的加工成本相对较低，因此铝材3D打印的投资回报率低于大多数其他金属。

对于需要强度与铝合金相当的零件的工程团队来说，连续纤维复合材料打印是一个绝佳的选择。它还可以提高零件的刚度、抗疲劳性和抗冲击性。在决定采用铝合金增材制造之前，不妨考虑一下这种替代方案。

金属3D打印材料对比表

哪些金属3D打印材料最好？

 新印制的金属叶轮 

从机械性能、环境暴露要求、生物相容性要求和总预算四个维度了解您的项目需求，将有助于您选择最佳材料。这是团队在从原型制作过渡到生产时经常犯的一个代价高昂的错误。

材料与应用环境的匹配

如果您的零件会暴露在高温或化学腐蚀性环境中，则应考虑使用超合金。钛是结构件中最坚固的材料，尤其适用于对重量要求较高的场合。工具钢或不锈钢是通用工业五金件和工具中最具成本效益的材料。铜是唯一能够满足现代电子和电力系统散热管理组件需求的金属。

考虑后处理要求

一些材料需要进一步加工才能达到最终的机械性能。另一些材料，例如H13和17-4 PH，则需要热处理。为了消除内部孔隙，高温合金或钛合金部件通常采用热等静压工艺进行封闭。密封表面和轴承接口通常需要进行表面精加工。这些步骤会增加项目的时间和成本。因此，在选择材料时，不应忽视这些步骤。 

对于因科镍合金或钛等材料，可能需要进行热处理或热等静压来消除内部孔隙并达到所需的机械强度，这会增加项目的时间和成本。而不锈钢零件通常只需要进行表面处理，例如抛光或喷砂，即可满足密封和轴承接口的要求。在最终确定设计之前了解每种材料的后处理需求，有助于避免因生产后期意外的额外步骤而导致的预算超支和延误。

平衡成本与性能

钢材比高温合金便宜。然而，钛和高温合金的制造和加工成本更高。对于预算敏感的项目，在选择材料时应同时进行金属3D打印成本分析。316L不锈钢具有最佳的性价比，可用于多种应用。除非有特殊要求需要更高性能的材料，否则应默认选择这种材料。

金属 汽车零部件的3D打印

汽车行业采用金属增材制造技术的规模远超其他行业。这是因为汽车行业对轻量化结构件和具有复杂拓扑结构的冷却通道有着极高的需求。此外，具有优化拓扑结构的支架也需求旺盛。适用于对重量要求较高的结构件的材料包括铝合金和钛合金。模具和夹具则通常使用工具钢。 

进气歧管和排气歧管的生产可采用3D打印技术。定制支架组件、生产工具和悬架硬件也同样可行。其结果是零件数量减少、装配流程缩短，并显著提升了车辆的性能重量比。

选择金属3D打印材料时常见的错误

避免常见的选型错误，可以避免生产延误并节省资金。

• 如果所有合金的打印方式相同， 并非同一系列的所有等级的材料都可以打印。 最常用的锻造铝材牌号 6061 和 7705 无法作为标准 PBF 系统提供。
• 成本估算中不包括后期处理成本。 许多材料，例如因科镍合金或钛，在打印后需要进行热处理和精加工。这些成本往往在预算中被忽略，导致生产阶段出现严重的超支。
• 材料等级规格过高： 如果316L不锈钢也能达到同样的性能，那么使用Inconel不锈钢会增加材料和加工成本。材料的选择应根据使用环境而定，而不是追求最高规格。
• 跳过增材制造的设计优化： 3D打印金属零件能够实现机械加工无法实现的几何形状。如果不对零件进行重新设计以适应增材制造，就直接用3D打印零件替换机械加工零件，不仅不具备成本竞争力，而且会错失这项技术的核心价值。

结语 

金属3D打印材料种类繁多，性能、价格和应用领域也各不相同。铜可用于实现热学和电学优化设计。铝则适用于对重量要求极高且打印性能有一定限制的应用。为了选择合适的材料和应用，评估其机械性能、工艺兼容性、后处理需求以及总成本至关重要。

ProLean Tech 帮助工程和采购团队为其项目选择合适的材料、工艺和制造方法。无论您是生产第一个金属增材制造零件，还是扩展现有工作流程，我们都能为您提供帮助。 3D打印服务 服务涵盖材料选择、设计支持和生产制造。请访问我们的定制3D打印页面或联系我们的团队，讨论您的项目。

常见问题

哪些金属最常用于 3D 打印？为什么？

目前，增材制造中最常用的金属包括钢（尤其是316L不锈钢和17-4 PH钢）、钛（Ti-6Al-4V）、钴铬合金（铬）、铜和铸造级铝合金。钢因其成本效益高且用途广泛，成为最受欢迎的金属。

3D打印技术能制造出最坚固的金属是什么？

硬度最高的钢材是工具钢。特别是H13和D2，它们都经过热处理。Inconel 718是一种结构合金，在高温下具有极高的抗拉强度。钛合金，例如Ti-6Al-4V，在强度重量比方面表现最佳。最佳选择取决于您测量的是屈服强度还是硬度、疲劳性能还是高温性能。

金属3D打印的成本是多少？

对于简单几何形状的大批量生产，金属3D打印的单件成本高于传统机械加工。但对于复杂几何形状或难以加工的合金（例如Inconel或钛），增材制造通常更经济。最终成本很大程度上取决于材料选择、加工工艺和后处理方式。因此，预先进行成本建模至关重要。

金属比塑料更坚固吗？

是的，几乎在所有结构应用中都是如此。金属3D打印部件的机械性能与同种合金的机加工部件相当甚至更优。虽然连续纤维复合材料打印能够达到铝的强度水平，但在高温或高载荷条件下，其性能无法与高性能合金相媲美。金属是唯一可用于承载重物、高磨损或高热要求应用的材料。