三种新型3D打印金属材料及其对工程师的影响

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  这三种新型3D打印金属材料为何重要
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  粘结剂喷射如何改变打印合金的性能
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  316L不锈钢：通用型打印合金
• 4
  H13模具钢：带随形冷却的打印工装
• 5
  C18150铜：导电性加打印几何形状
• 6
  公差、表面处理与混合工艺流程
• 7
  边界：这些合金不适用的场合
• 8
  打印件或混合件图纸上应标注什么
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  打印与机加工：不同零件该走哪条路线

粘结剂喷射的金属零件成形顺序与激光粉末床熔融不同。打印头将粘结剂铺入粉末床，零件出来时是脆弱的生坯，随后经烧结致密化。正是这一顺序使三种新型3D打印金属材料能够实现批量生产：合金只需经受炉内循环，而不必承受熔池。

这三种合金是316L不锈钢、H13模具钢和C18150铜。每一种都是因为实际工业需求而被选用。316L满足耐腐蚀及食品或医疗接触要求。H13满足承受热循环的工装需求。C18150满足导电与导热需求。

车间现场真正要区分的不是打印与机加工，而是哪种工艺能提供零件实际所需的几何形状和材料性能。粘结剂喷射可实现随形流道、点阵内部结构和近净成形，且无需模具。机加工则提供锻件性能、严格公差和可密封的表面。

因此实际问题变成：对特定零件而言，打印的设计自由度是否超过坯料带来的材料密度、表面处理和公差？本页其余部分将按合金逐一回答这个问题。

在粘结剂喷射中，辊子铺开一层薄薄的气雾化金属粉末，精细牌号通常在5–20 μm范围。打印头仅在切片需要处沉积粘结剂。成形箱下降几十微米，循环重复。无激光，无熔池。

出来的生坯仅靠粘结剂保持形状。随后经固化、清粉并在炉中烧结，通常在真空或氢气下进行。烧结使颗粒形成颈部并闭合大部分孔隙。收缩是各向同性且可预测的，因此CAD模型在打印前会进行缩放。

炉内步骤正是检验合金化学成分之处。碳含量必须保持在窄窗口内，否则H13无法硬化到目标硬度。铜必须避免氧化。316L是三者中最宽容的，这也是它成为主力材料的原因之一。

工程上的结果是零件晶粒细小、残余应力低，且在多数方向上接近锻件性能。商用粘结剂喷射系统的烧结密度通常高于97%。这个数字没有告诉你的是疲劳寿命，而疲劳正是打印件与机加工件差异最大的地方。

316L是含钼的奥氏体不锈钢，具有抗点蚀能力。打印并烧结后，密度约为95–98%，具体取决于烧结曲线。抗拉强度与退火态锻件316L相当，但延伸率通常较低且更分散。

适用于带内部流道的歧管、换热器芯体、带有机形状加强筋的支架，以及接触氯化物的低压流体零件。其耐腐蚀性对大多数化工和食品接触应用而言与锻件316L足够接近。

不要用于循环载荷接近疲劳极限的零件，或高压下密封面必须压紧垫片的场合。烧结表面打印态粗糙，可能带有残余孔隙，在压力下会泄漏。加工密封面或后处理表面可解决此问题。

钜亮五金（GreatLight）常备316和316L棒料并进行机加工，因此混合路线很直接：打印复杂主体，机加工关键接口。这通常比将整个零件打印到严格公差更便宜。

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  适用内部流道、点阵芯体、支架、低压流体主体。
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  不适用高周疲劳零件、耐压密封面、镜面光洁度。
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  典型后处理去应力、接口机加工、喷砂、电解抛光。

H13是铬系热作模具钢，常用于压铸模、锻模和注塑模。打印并烧结后，可根据热处理工艺和烧结后保留的碳含量，淬火回火至约45–52 HRC的工作硬度。

打印 H13 的理由不在合金本身，而在冷却水道。随型水道沿型腔轮廓走线，比直线钻孔更快、更均匀地带走热量，从而缩短加工节拍并减少成型件或铸件的翘曲。

这里要划清边界。打印 H13 不能直接替代高冲击锻模中的锻造 H13。烧结材料韧性较低，无法承受同样的冲击载荷。在压铸模和注塑模中，热疲劳占主导，打印镶件表现良好。

另一条边界是热处理工序本身。打印 H13 镶件淬火需要真空或气氛控制，且会略有变形。精加工余量要在淬火前预留，而不是淬火后。钜亮五金（GreatLight）用硬质合金刀具加工 45–52 HRC 范围内的淬硬工具钢，因此淬火后精加工是成熟工艺，不是赌博。

C18150 是铬锆铜。它兼具高导电性和高导热性，硬度足以承受接触和磨损。它是电阻焊电极的标准合金，也越来越多用于感应线圈和热管理硬件。

打印它能实现车削和机加工无法达到的几何形状：焊接电极内部的螺旋冷却通道、密集针翅阵列、带一体弯折的母排。打印烧结材料的导电性低于变形 C18150，因此应视为良好，而非等同。

打印铜的短板：需要最大导电性的高电流触点，以及所有面都必须加工到精细表面和严格公差的零件。变形 C18150 棒材在这两方面都更好。

混合路线在这里效果很好。打印复杂的热芯，用变形棒材加工接触尖端和安装接口，然后连接。这样导电通路留在变形材料中，几何形状留在打印材料中。

打印件到货时是近净成形，不是成品。烧结收缩可预测但不完美，较大尺寸上会有零点几毫米的偏差。任何配合、密封或旋转的部位都需要在烧结后加工。

这正是混合路线划算的地方。打印带内部几何形状的本体，然后装夹并加工基准、内孔和密封面。钜亮五金运行 127 台高精度 CNC 设备，包括 16 台五轴联动加工中心，最大加工尺寸 4,000 mm，因此该尺寸范围内的打印本体可在厂内完成精加工。

表面处理也取决于路线。烧结态表面粗糙，可能残留粉末。流体零件通常先喷砂，再加工过流面。外观件则通过抛光或电解抛光把表面降到可控范围。

检测是最后一道关。打印件需要密度验证，加工特征需要尺寸检查。钜亮五金出货前 100% 检验，覆盖原材料检查、过程监控和终检，可按要求提供报告。机加工量产合格率为 99.99%。

零件简单时，打印是错误答案。三轴铣床一次装夹就能切出的支架，不需要炉循环、清粉工序和精加工工序。加起来，打印版本成本更高、周期更长。

零件疲劳关键且载荷路径不明确时，打印也是错误答案。烧结材料的疲劳强度低于变形棒材且波动更大。如果做不起试验计划，就用变形棒材机加工。

耐压密封件是第三条边界。即使密度达到 97%，残余孔隙仍可能泄漏。如果零件必须容纳气体或高压流体，要么打印时加工密封接口，要么整体机加工。

最后考虑数量。打印在复杂度和低产量（开模昂贵）时占优。10,000 件相同的简单零件，机加工或铸造通常更划算。临界点取决于几何形状，而非经验法则。

从关键特征开始。标明哪些面是机加工面、哪些是成型面。整张打印表面都标“公差 ±0.005 mm”的图纸无法满足，只会推高成本而不增加功能。

注明热处理。H13 要写明目标硬度范围，以及是在精加工前还是精加工后。316L 要写明是否需要去应力，以及在哪个阶段。

按功能而非数字规定表面处理。密封面需要明确的 Ra 和平面度。外观面只需明确的 Ra。非接触内部通道通常只需清洁、无粉末的内腔。

发送 CAD 时考虑打印方向。打印中水平延伸的通道下侧容易塌陷。将零件旋转几度可免去支撑并改善通道内表面。关于打印方向的可制造性设计（DFM）反馈，是首次打印前最便宜的改进之一。