3D列印金屬材質選擇指南

用於3D列印的金屬

金屬3D列印技術已不再侷限於原型製作實驗室。從航空航太到醫療器材製造等各行業都在利用這項技術來製造高性能零件，其幾何形狀是傳統機械加工無法實現的。隨著技術的成熟，可列印金屬的種類也顯著增加。選擇合適的材料與選擇合適的機器同樣重要。

工程師和採購團隊如果了解每種材料的機械性能、成本特性和理想應用，就能更好地做出決策。選擇不當會導致零件性能下降、成本增加或後製費用高昂，從而抵消增材製造的優勢。無論您是製造結構件、生物醫學植入物還是模具，材料選擇都至關重要。

ProLean Tech與各行各業的製造商合作，為各種應用尋找最佳的金屬3D列印流程。 客製3D列印 資源和合理 金屬3D列印成本 這些都是評估各種方案時不錯的起點。

什麼是金屬3D列印？

金屬積層製造又稱為 金屬3D打印它利用金屬粉末、金屬絲或粘結劑等材料，根據數位文件建造零件。與從材料塊中去除材料的減材製造不同，積層製造過程僅在需要的區域沉積材料。這減少了材料浪費，並能夠製造出複雜的內部幾何形狀，而這些形狀在其他機械加工中是無法實現的。

粉末床熔融、黏結粉末擠壓和定向能量沉積是最常用的製程系列。每種工藝在材料相容性和分辨率方面都有不同的特點。您可以根據所選工藝來選擇所需的金屬材料。

金屬3D列印：工作原理

金屬3D列印晶格立方體結構

粉末床熔融是一種利用雷射光束或電子束逐層選擇性熔化金屬粉末的方法。在將每一層新的金屬粉末沉積到成型平台上之前，光束會熔化下一個橫截面。黏結劑粉末擠出成型則是將金屬粉末與黏結劑聚合物混合，擠出成類似濃稠糊狀物的形狀，然後在燒結爐中燒結以去除黏結劑。兩種方法都能製造出緻密且功能齊全的零件，但在表面光潔度、成型時間、尺寸精度和材料選擇方面各有優劣。

傳統製造工藝的優勢

用於 3D 列印的金屬在製造需要晶格結構或有機幾何形狀的零件方面表現出色，而這些是機械加工無法實現的。這項技術還能縮短小批量零件或特殊零件的交貨週期，並能以經濟高效的方式製造諸如因科鎳合金和鈦合金等昂貴合金，而這些合金如果採用機械加工，成本將極其高昂。積層製造不僅是許多高價值應用領域機械加工的替代方案，也是唯一可行的生產方法。

金屬3D列印材料：五種最常用的金屬

鋼、高溫合金和鈦是應用最廣泛的材料之一。 3D印刷材料 用於金屬增材製造。每種材料組在機械性能、成本和應用適用性方面各有側重，而具體牌號的選擇則取決於特定的性能要求。

鋼鐵

鋼材是3D列印機中最常用的金屬之一。由於其優異的強度和剛度，鋼材成為3D列印最受歡迎的金屬。鋼材3D列印在工業領域也應用廣泛，擁有豐富的工業知識，且成本相對較低。大多數鋼材類型都可用於3D列印，但不銹鋼和工具鋼最為常見。這些鋼材加工成本高昂且難度高。因此，積層製造對於這些鋼材而言是一種經濟高效的選擇。

不銹鋼

不同的金屬3D列印零件

不鏽鋼的耐腐蝕性源自於其至少含有12%的鉻。不鏽鋼3D列印主要有兩種類型：

• 奧氏體（316L）： 這種不銹鋼是最常用的印刷材料，具有優異的耐腐蝕性。它可以焊接和機械加工，但不能進行熱處理。它適用於化學加工、醫療器材和船舶五金等領域。
• 17-4 PH（馬氏體）： 一種沉澱硬化型不銹鋼，可透過熱處理獲得不同硬度狀態下的多種機械性質。它比316L不銹鋼更硬更強，但耐腐蝕性較差。廣泛應用於工業製造和航空航太零件。

工具鋼

工具鋼專為切割、研磨和沖壓等特定加工製程而設計。這些鋼材含有碳化物化合物，使其在常溫和高溫下均具有極高的硬度和耐磨性。三種最常見的鋼材牌號為：

• A2： 一種用途廣泛的冷加工工具鋼，用於製造沖頭、模具和通用工具。兼具良好的韌性和耐磨性。
• D2 經過最佳化，可為冷加工應用（包括工業刀片和分切機）提供最大的耐磨性。
• H13 這是一種高溫工具鋼，兼具耐熱性、韌性和耐磨性，是壓鑄鑲件和鍛造模具的理想材料。

高溫合金－因科鎳合金和鈷鉻合金

金屬3D列印零件

超合金能夠在嚴苛的環境下運行，而傳統合金在高溫、高壓和腐蝕性化學物質的侵蝕下則會遭到破壞。金屬3D列印是一種經濟高效的超合金生產方法，可以生產傳統方法難以製造且成本高昂的超合金。

鉻鎳鐵合金

鎳基高溫合金Inconel以其極高的強度、韌性和耐腐蝕性而聞名，即使在鋼材會失去結構完整性的溫度下也能保持優異的性能。 Inconel 625具有更強的抗熱疲勞和抗氧化能力，而Inconel 718則擁有卓越的強度和韌性。燃氣渦輪機、噴射發動機密封件、排氣部件和火箭硬體均廣泛使用這兩種合金。

鈷鉻合金

鈷鉻合金兼具高強度重量比、生物相容性及耐腐蝕性。對於既需要結構可靠性又需要生物相容性的應用而言，它是一種密度更高、性能更優異的鈦替代品。鈷鉻合金可用於多種應用，包括渦輪機、工業環境和醫療器材。

鈦

鈦是一種強度重量比極高的材料，但傳統製造過程中原料和加工成本也很高。這使得積層製造成為極具吸引力的選擇。鈦3D列印可以節省材料，而且其提供的幾何自由度通常足以彌補鈦零件單一機器較高的成本。鈦可以以兩種主要形式列印：

• Ti-6Al-4V： 這是積層製造中最常用的鈦合金。它的重量比 17-4 PH 輕約 40%，但強度卻與之相當甚至更高。它耐腐蝕且耐高溫。這種合金廣泛應用於航空結構、汽車零件和工業硬體等領域，在這些領域，減輕重量至關重要。
• 商業純鈦： 強度低於Ti64，但無論加工條件如何，其生物相容性都更好。適用於骨科植入物、骨螺絲等醫療器材以及其他對生物整合性要求較高的醫療產品。

鈦是任何生產 3D 列印金屬零件的工程團隊的核心材料，其重量與性能比決定了設計方向。

銅

銅在積層製造領域佔有特殊的地位。人們選擇銅幾乎完全是因為其優異的導熱性和導電性，而非其機械性質。金屬3D列印技術使工程師能夠製造出幾何形狀經過最佳化的銅製部件，而這些部件如果採用機械加工或鑄造等傳統方法則很難製造。散熱器、母線、感應線圈和焊接電極等都是其應用實例。

• 純銅： 在所有銅基材料中，它的導熱性和導電性最高。然而，其高雷射反射率使其與標準粉末床熔融（PBF）雷射系統不相容，只能在黏結粉末擠出機上列印。
• 合金銅（例如，C18150）： 它含有1-2%的合金成分，例如鉻或鋅，這些成分能降低雷射反射率，使其可以在某些粉末床熔融（PBF）平台上進行列印。合金銅的導電性低於純銅，但仍優於其他金屬組。

鋁合金

鋁材3D列印遠不如傳統製造工藝普及。這主要是因為最常用的鍛造鋁合金牌號6061和7075無法用標準的粉末床熔融（PBF）系統進行列印。含矽量高達12%的鑄造級鋁合金可列印，但其機械性質不如鍛造鋁合金。由於標準鋁材的加工成本相對較低，因此鋁材3D列印的投資報酬率低於大多數其他金屬。

對於需要強度與鋁合金相當的零件的工程團隊來說，連續纖維複合材料列印是一個絕佳的選擇。它還可以提高零件的剛性、抗疲勞性和抗衝擊性。在決定採用鋁合金增材製造之前，不妨考慮一下這個替代方案。

金屬3D列印材料比較表

哪些金屬3D列印材料最好？

 新印製的金屬葉輪 

從機械性能、環境暴露要求、生物相容性要求和總預算四個維度了解您的專案需求，將有助於您選擇最佳材料。這是團隊在從原型製作過渡到生產時經常犯的一個代價高昂的錯誤。

材料與應用環境的匹配

如果您的零件會暴露在高溫或化學腐蝕性環境中，則應考慮使用超合金。鈦是結構件中最堅固的材料，尤其適用於對重量要求較高的場合。工具鋼或不銹鋼是通用工業五金件和工具中最具成本效益的材料。銅是唯一能夠滿足現代電子和電力系統散熱管理組件需求的金屬。

考慮後處理要求

有些材料需要進一步加工才能達到最終的機械性能。另一些材料，例如H13和17-4 PH，則需要熱處理。為了消除內部孔隙，高溫合金或鈦合金零件通常採用熱等靜壓製程進行封閉。密封表面和軸承介面通常需要進行表面精加工。這些步驟會增加專案的時間和成本。因此，在選擇材料時，不應忽視這些步驟。 

對於因科鎳合金或鈦等材料，可能需要進行熱處理或熱等靜壓來消除內部孔隙並達到所需的機械強度，這會增加專案的時間和成本。而不銹鋼零件通常只需要進行表面處理，例如拋光或噴砂，即可滿足密封和軸承介面的要求。在最終確定設計之前了解每種材料的後處理需求，有助於避免因生產後期意外的額外步驟而導致的預算超支和延誤。

平衡成本與性能

鋼材比高溫合金便宜。然而，鈦和高溫合金的製造和加工成本更高。對於預算敏感的項目，在選擇材料時應同時進行金屬3D列印成本分析。 316L不銹鋼具有最佳的性價比，可用於多種應用。除非有特殊要求需要更高性能的材料，否則應預設選擇這種材料。

金屬 汽車零件的3D列印

汽車業採用金屬增材製造技術的規模遠超過其他產業。這是因為汽車產業對輕量化結構件和具有複雜拓樸結構的冷卻通道有著極高的需求。此外，具有最佳化拓樸結構的支架也需求旺盛。適用於對重量要求較高的結構件的材料包括鋁合金和鈦合金。模具和夾具則通常使用工具鋼。 

進氣歧管和排氣歧管的生產可採用3D列印技術。客製化支架組件、生產工具和懸吊硬體也同樣可行。其結果是零件數量減少、組裝流程縮短，並顯著提升了車輛的性能重量比。

選擇金屬3D列印材料時常見的錯誤

避免常見的選用錯誤，可以避免生產延誤並節省金錢。

• 如果所有合金的列印方式相同， 並非同一系列的所有等級的材料都可以列印。 最常用的鍛造鋁材牌號 6061 和 7705 無法作為標準 PBF 系統提供。
• 成本估算不包括後製成本。 許多材料，例如因科鎳合金或鈦，在列印後需要進行熱處理和精加工。這些成本往往在預算中被忽略，導致生產階段出現嚴重的超支。
• 材料等級規格過高： 如果316L不銹鋼也能達到相同的性能，那麼使用Inconel不銹鋼會增加材料和加工成本。材料的選擇應根據使用環境而定，而不是追求最高規格。
• 跳過積層製造的設計最佳化： 3D列印金屬零件能夠實現機械加工無法實現的幾何形狀。如果不對零件進行重新設計以適應增材製造，就直接用3D列印零件替換機械加工零件，不僅不具備成本競爭力，而且會錯失這項技術的核心價值。

結語 

金屬3D列印材料種類繁多，性能、價格和應用​​領域也各不相同。銅可用於實現熱學和電學優化設計。鋁則適用於對重量要求極高且列印性能有一定限制的應用。為了選擇合適的材料和應用，評估其機械性能、製程相容性、後處理需求以及總成本至關重要。

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常見問題解答

哪些金屬最常用於 3D 列印？為什麼？

目前，積層製造中最常用的金屬包括鋼（尤其是316L不銹鋼和17-4 PH鋼）、鈦（Ti-6Al-4V）、鈷鉻合金（鉻）、銅和鑄造級鋁合金。鋼因其成本效益高且用途廣泛，成為最受歡迎的金屬。

3D列印技術能製造出最堅固的金屬是什麼？

硬度最高的鋼材是工具鋼。特別是H13和D2，它們都經過熱處理。 Inconel 718是一種結構合金，在高溫下具有極高的抗拉強度。鈦合金，例如Ti-6Al-4V，在強度重量比方面表現最佳。最佳選擇取決於您測量的是屈服強度還是硬度、疲勞性能還是高溫性能。

金屬3D列印的成本是多少？

對於簡單幾何形狀的大量生產，金屬3D列印的單件成本高於傳統機械加工。但對於複雜幾何形狀或難以加工的合金（例如Inconel或鈦），積層製造通常更經濟。最終成本很大程度取決於材料選擇、加工流程和後處理方式。因此，預先進行成本建模至關重要。

金屬比塑膠更堅固嗎？

是的，幾乎在所有結構應用中都是如此。金屬3D列印零件的機械性質與同種合金的機械加工零件相當甚至更優。雖然連續纖維複合材料列印能夠達到鋁的強度水平，但在高溫或高載荷條件下，其性能無法與高性能合金相媲美。金屬是唯一可用於承載重物、高磨損或高熱要求應用的材料。