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关于3D打印和金属材料的小科普，也澄清几个常见的误会。
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这一阵好几个3D打印的帖子。许多不了解材料的人，对3D打印的原理和金属材料的制备成型有些误会。这里简单说几句。因为书不在手边，也是很久以前学的东西了，这里说的全凭印象，术语未必准确。对3D打印的分析也是个人观点。如果有错误，欢迎探讨指正。
1、有缺陷，材料是不是就不能用了？
材料学所说的缺陷是特定的术语。和一般人的感觉相反，金属材料的强化，几乎都是通过增多缺陷来完成的。而缺乏缺陷的金属，其性能难以使用。（关于为什么发动机需要用单晶，后面讲）
不管是熔炼时加入合金元素，还是成型后加压，前者是增加点缺陷来强化金属，后者是增加线缺陷来强化金属。
而锻造对金属缺陷的影响会比较复杂，但主要强化机理是通过非平衡的相变，将粗大的晶粒变成细小的晶粒——也是增加面缺陷（晶界）。不仅增加强度，也增加韧性。因此才获得了最好的综合力学性能。
这些缺陷将阻碍金属变形的过程，因此能够提高金属的强度。
也就是说，缺陷并非越少越好。在很多情况下，都是越多越好。
对缺陷的控制是金属材料学最重要的课题，是控制金属微观结构的重要途径。锻造、热处理，其最终强化金属的原理都在于控制缺陷（并非往少控制，而是消除有害缺陷，增多有益缺陷）
当然，缺陷会导致其它问题，对材料的性能有其它负面影响。比如内应力，需要回火消除。
王华明的3D打印技术，因为是将合金熔体快速冷却，必然会产生内应力。后续也需要热处理消除。但制得的工件性能优异，主要在于快速冷却过程中产生了大量面缺陷，和锻造的原理类似。所以也可以得到性能堪比锻件的工件。
PS：所谓的焊接缺陷，也是因为高温导致了焊接处发生了重结晶，小晶粒变大，面缺陷变少，导致强度和韧性下降。焊接缺陷，铸造缺陷——这些说法里的“缺陷”指的是工艺造成的金属性能下降，和金属微观结构的缺陷有关，但并非是一回事。
2、王华明的3D打印到底好在哪？
王华明在演讲里也说了，他最大的突破就是解决了冷却和缺陷的问题。而之前那家搞增材制造的美国公司之所以破产，也是因为无法在这个问题上突破。
这里他说，自己是用“土法”解决的，但不管怎么说，他解决了。
正是因为解决了这个问题，所以他的技术获得的工件性能十分优异。原因如上所述，他通过激光熔覆能够获得有有益缺陷的金属基体。也就是说，他发明了一种高级的“锻造”，不需要水压机，锻锤，也能够获得晶粒细小的组织。而且这种组织是通过平衡相变一点一点“浇”出来的，而不是非平衡相变“砸”出来的，理应比锻造更细，也更均匀。
而结果也的确如此。
而且这项技术未来的潜力远不止如此。如果王华明能在机理上研究结晶过程的机理，那么获得的组织还可以进一步细化，进一步提高金属材料性能，甚至通过定向地制造设计出的非均匀材料来。
3、3D打印不能够用于量产吗？
如前所述，王华明的激光熔覆技术获得的工件在性能上远超过铸造件，也超过锻造件。
有人说，3D打印只打个样，量产时会用其它工艺。
这种说法忽略了最基本的事实。就是工艺不同的构件，性能也不同，强度、疲劳寿命都不同。特别是，如果原型机用3D打印制造，利用3D打印的特性造出了复杂形状的零件，那么其它工艺根本就无法使用。即便能够使用，其性能会急剧降低。
试想，原型机用3D打印，换成量产机，过载也下降，寿命也下降，空重要大幅上升，这样的原型机做出来有何用？即便忍了这些，强度实验也要重做。
有人可能会说，3D打印的速度不行。但是现有的激光3D打印也能做到每小时5磅的速度，却连船用主轴，反应堆外壳那种几百吨的东西都准备打印了，显然速度不是问题。
航空上构件最重才多重？
4、3D打印能够取代现有工艺吗？
目前3D打印受限于激光器的功率和冷却工艺，打印速度不快。但其潜力已经初现。制造钛合金构件，成型复杂形状构件，都十分有优势。试想，飞机设计师一旦尝到过3D打印工件在形状、承力和寿命上的巨大优势，怎么会愿意退回到以前的铸造锻造的时代，又何必如此？
如果能够打印出强度和疲劳寿命都更好的起落架，为何还要使用原本的工艺？
当然，3D打印不会用于钢板，钢管这种现有工艺就能完成的。没有必要，时间上也是浪费。
3D打印的成熟还需要时间，对传统的成型工艺的影响，几年后就会显现。（从某些传言看来，现在就已经对中航的一些院所有影响。）
5、单晶、3D打印与航空发动机
有朋友认为单晶很好，没有什么缺陷。单晶单晶，只有一个晶粒生长而成，听起来就很完美。
然而一开始却说，缺陷少晶体，综合力学性能较差。
那么为什么发动机叶片要用铸造单晶？
因为，在常温下和高温下，单晶金属和多晶金属的性能表现是相反的。
简单来说，多晶晶体在常温下，晶界能够阻止位错运动，强化强度和韧性——但是在高温下却成了氧化和蠕变先发生的区域，变得很脆弱。
而单晶虽然有着其它缺点，因为不存在晶界，也就没有这个致命缺点，因而应用于高温环境。
3D打印目前来看，无法制造出单晶合金，因此在航空发动机温度最高的热端部件上应用有限。
但据说目前已经能够制造出柱状晶组织，至少可以应用于第二级涡轮。这个消息也佐证了一点，就是王华明对于激光熔覆的冷却工艺研究已经相当深入，可以制造出定向凝固结晶。
3D打印虽然不能制造单晶，但是却可以将叶片直接打印在涡轮盘上，提高寿命，降低重量。这一能力至少可以在压气机的叶片上使用。直接打印出结构复杂的空心叶片，或许对精度有更高要求。
涡轮盘的制造似乎已经有实物。性能如何，暂时不知。
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说慢的人笑死了 5磅又如何 一台一小时五磅 100台 1000台？
当年有人讲手机壳子用CNC加工 一个壳子要走20分钟 产量跟不上
现在呢 三星苹果中华酷联一年产多少？ 浙江那边很多工厂一个厂就上千台CNC
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3D打印俗话说不就是可控烧焊吗？？
不就是以前的人工堆焊变成程序堆焊吗？？？这个技术又不是什么可吹的，但前景是非常可观，用程序控制分子间慢慢堆起来会成为未来的主流，如打印机刚出来时的例子。
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本帖最后由 bikaqu10 于
07:51 编辑
谢谢楼主科普。另外3D打印C919承重部件这个消息属实么？
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超大游击队员
量产的工艺控制是一个问题，因为操作人员不都是博士生。
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谢谢楼主科普。另外3D打印C919承重部件这个消息属实么？
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3d打印已经在普及了，一旦中国人应用了，那也就白菜价了，例如民营的永年激光都可以做
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谢谢楼主科普 感谢
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3D打印俗话说不就是可控烧焊吗？？
不就是以前的人工堆焊变成程序堆焊吗？？？这个技术又不是什么可吹的， ...
原来这么简单哦，请问您能3D打印点东西出来不？
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不错的文章
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超大游击队员
多谢楼主科普。经常看见有人说，xx有这个技术/工艺，咱还差的远，然后有人举出咱也是有的，那人就又会说什么成本/规模/成熟度。嘿嘿，就算是美帝，也做不到每样技术都会，会的都领先，有些人拼命在TG身上玩找缺点游戏，也是蛮拼的，来猜猜第几楼会起个头
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超大游击队员
麻烦楼主解释一下单晶铁丝悬挂一吨重物的原因，常温。
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量产的工艺控制是一个问题，因为操作人员不都是博士生。
哥们儿，不是博士才能把工艺控制的很好
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3D打印俗话说不就是可控烧焊吗？？
不就是以前的人工堆焊变成程序堆焊吗？？？这个技术又不是什么可吹的， ...
堆焊出来复杂的结构，堆焊出来的材料性能不输甚至超过锻件，这就可以吹了，谁不服谁来试试看。
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3D打印俗话说不就是可控烧焊吗？？
不就是以前的人工堆焊变成程序堆焊吗？？？这个技术又不是什么可吹的， ...
打印出样子、外形当然不难，但难的是不但要求打印出样子、外形，还要打印出的东西符合性能要求。
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科普贴，期待国产光纤激光器大功率能有突破。
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量产的工艺控制是一个问题，因为操作人员不都是博士生。
谁说操作人员一定要博士？设计制造导弹的人会是打仗时发射导弹的人吗？
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麻烦楼主解释一下单晶铁丝悬挂一吨重物的原因，常温。
你那个说法并不是说真有单晶铁丝做出来实验悬挂铁丝，而是理论上计算出的数值。目前由单晶生长出的短纤维，也就是晶须，还在发展，通过大量细晶须做成复合材料。目前碳晶须硼晶须已有应用，但成本高，而且做不粗，因为做大了生产过程就无法保证晶体完美。
单晶材料对缺陷非常敏感，一旦出现裂纹，因为本身缺少其它缺陷阻止裂纹扩展，材料会迅速失效。
单晶没有缺陷，所以拉伸强度理论上可以接近完整晶体的理论值，高达40000Mpa。相比之下，现在超高强度合金钢的拉伸强度也只有几千MPA。强度等同于金属键原本的强度，提高空间非常大。
但这只是看上去很美。
我查到的，现在做出来的碳晶须，不仅直径还是微米级别，连长度也只有100微米。多用来做复合材料。拉伸强度不过2000MPa。
要做成没有缺陷的单晶“铁丝”用来承力，现在还不行。
单晶铜丝倒是做出来了，已经用来做导线，但是材料是纯铜，内部也有缺陷，拉伸强度在1000MPa还不如合金钢。
所以提高强度，大多走的是利用晶体缺陷的方向。
现在的高强度冷拉高碳钢丝已经达到5000Mpa
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超大游击队员
本帖最后由 ab209 于
12:23 编辑
zwtk345 发表于
你那个说法并不是说真有单晶铁丝做出来实验悬挂铁丝，而是理论上计算出的数值。目前由单晶生长出的短纤维 ...
谢谢。理论和工程化的平衡问题，了解了。
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3D打印俗话说不就是可控烧焊吗？？
不就是以前的人工堆焊变成程序堆焊吗？？？这个技术又不是什么可吹的， ...
如果你的“可控烧焊”能做到控制晶体的生长方向，能够焊出柱状晶，能够焊出强度不亚于锻造的金属构件来，那你在全世界都有资格大吹大擂。只要你能做到的话。
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大型船用曲轴、反应堆壳体是王华明在南风股份的产业化应用，与军品相比，用的都是增材制造工艺，但能量源不是激光，而是强电流，更类似于电子束。
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量产的工艺控制是一个问题，因为操作人员不都是博士生。
想当年多轴数控机床也没几个人会用。
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说慢的人笑死了 5磅又如何 一台一小时五磅 100台 1000台？
当年有人讲手机壳子用CNC加工 一个壳子要走20分 ...
船的大轴其实产量并不高。飞机的大梁产量本来也不高的。比如c17,1991年首飞，2010年为止产了210架。那么平均一下一年才10架，那么3d打印慢不慢，也就那么回事。
3d打印还是用来做一些复杂的，难搞的东西最合适。比如发动机的空心叶片。3d打印可以做出个一体成型的，内部带空腔的叶片，更可贵的是，空腔内部的形状结构是可控的。这样就多了一种优化设计的手段。
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技术帖要顶！！！
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涨知识了，顶一个。
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量产的工艺控制是一个问题，因为操作人员不都是博士生。
3D打印机都是自动的吧，不存在小批和量产的工艺不同吧？
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长知识的好贴 是要多读几遍的 感谢楼主的原创科普
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不知道激光器现在怎么样。
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lz搞什么专业的不清楚，但是很多内容都是错的：
1、3D打印是一个非常庞大的概念，王老师的工艺线路准确地说叫“激光近净成形”，也可以通俗地称作“熔池型激光快速成形”。
这个工艺线路非常明确地就是以减少缺陷为主要目标，包括偏析、成分偏差等物理缺陷和金相缺陷，通过控制工艺都可以达到极大减少的目的。
细化晶粒在工艺上从来都是作为减少缺陷来描述的，lz定义为增加缺陷属于胡说。
2、王老师真正的成就是研究透了好几个型号/牌号的材料，对其成形机理有了别别的团队深得多的认识，所以不管用近净成形还是别的线路，他的团队都能做到一流表现。
所谓土办法外人看看就好，真正的解决方案不但不土，还是非常前端和深刻的。
而且，lz非常错误地以为这个工艺线路是锻造，而事实上这个线路是标准的铸造。
3、所谓原型机如何如何的，属于根本不了解设计审定线路，也不了解重大装备设计制造的规程，还以为小心眼地限定一个工艺就可以摸鱼成功，而事实上这事情根本不存在。
至于速度什么的，目前需要高速高精度快速制造的主力流派是电子束，激光近净成形不会做为大规模制造的主力。
4、单晶的综合性能普遍好于多晶，所谓综合力学性能较差属于根本不了解材料基本特性。
而且lz自言自语马上又自我否定，有哪个重要结构件仅仅考虑常温性能的？
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去查查靠谱点的近净成型设备价格，说产能低的前提是同样投资，一套靠谱点的大功率激光器够组建一个数控加工中心车间的。
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谢谢楼主科普。另外3D打印C919承重部件这个消息属实么？
这个消息完全不可靠
事实上是加工而且完美交付了轩窗框
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量产的工艺控制是一个问题，因为操作人员不都是博士生。
这根本不是啥问题，设备的自动化程度很高
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大型船用曲轴、反应堆壳体是王华明在南风股份的产业化应用，与军品相比，用的都是增材制造工艺，但能量源不 ...
这个事情你理解为圈钱炒作概念就好，别的真没有
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量产的工艺控制是一个问题，因为操作人员不都是博士生。
自动化控制整个过程会更好吧。不知道能不能？
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这个事情你理解为圈钱炒作概念就好，别的真没有
技术上有问题？
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技术上有问题？
无论是技术线路还是产业线路都可以描述可以去做，但不是王老师这个团队的长项。
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自动化控制整个过程会更好吧。不知道能不能？
不可能完全自动化控制，但从实践看，也不是啥难题
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无论是技术线路还是产业线路都可以描述可以去做，但不是王老师这个团队的长项。
那现在中航天地激光是否已经量产了？我看几个月前，郭金龙考察的新闻说厂房已经盖完，设备已经到位。
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最具影响力中文军事论坛 - Most Influential Chinese Military Forum3D打印在打印金属材料的时候能达到常规机械加工工艺的性能吗？_百度知道
3D打印在打印金属材料的时候能达到常规机械加工工艺的性能吗？
我有更好的答案
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？用在什么地方呢：知乎著作权归作者所有，转载请联系作者获得授权。我大学虽然学的是金属材料成型，还有一种工艺是焊接。现在3D打印的各种炒作，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，也可以类比一下，不是我们做玩具的这种FDM打印，不熟悉金属3D打印：冷却不均匀，没用的话为啥国家会大力支持搞金属3D打印这种工艺啊。航空界要轰动了://www。国家说要大力扶持的，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，结合了铸造和焊接的特点？我个人觉得是用在对结构复杂度有要求、加工中心这类的）金属结构件，如果做有精度要求的结构件，肯定是需要一定的后加工的.=只说下根据我已有的知识体系的看法、噱头是很多，另外一个缺陷是作者，但是基本忘得差不多了，现在做的也是塑料的FDM打印.com/question//answer/来源，不一定对。我的看法是，金属3D打印的部件，经过热处理后。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；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，所以在堆叠的方向上：汪小波链接。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，其他与铸造应该是相当，甚至更优的。另外，抗剪切性能很差。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，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，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，但是无法媲美传统冷加工（CNC，应该是可以使用3D打印的部件的、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，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、炒作蒙蔽了双眼，全盘否定3D打印，那样会是另外一种固执，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。上面 @赵浩就是搞这方面技术的，奥观海说米国要投资搞的，整体下来，强度是会优于这两种工艺的，强度应该可以与传统砂型铸造相当甚至优于传统铸造，并避免了两者的缺陷，我觉得金属3D打印是结合了铸造和焊接的优点，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。写到这里，我更感觉金属3D打印。焊接区会形成合金，强度非常好，但是在过渡区，但是不能被噱头，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，一个是部件是一层层叠起来的。金属3D打印在强度上最大的缺陷。在打印每一层时.zhihu：
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3D打印与CNC手板比较
关注微信公众号金属3D打印是属于数字热加工的一项技术，目前制备金属的3D打印技术主要有：选区激光熔化/烧结（SLM/SLS)、电子束选区熔化（EBSM)、激光近净成形（LENS)等。
与传统工艺相比，金属3D打印有直接成型，无需模具，可以实现个性化设计并制作复杂结构，高效、低消耗、低成本等优点。但是因为其是数字热加工，变形是无法消除的，
变形量需要从工艺和经验上去控制，最后还要经过数控机床等技术的后期加工处理。
金属3D打印技术的种类
整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成，工作粉末缸活塞（送粉活塞）上升，由铺粉辊将粉末在成型缸活塞（工作活塞）上均匀铺上一层，
计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。完成一层后，工作活塞下降一个层厚，
铺粉系统铺上新粉，控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往复，层层叠加，直到三维零件成型。
选区激光烧结（SLS）
SLS制造金属零部件，通常有两种方法，其一为间接法，即聚合物覆膜金属粉末的SLS；其二为直接法，即直接金属粉末激光烧结（DirectMetalLaserSintering，DMLS）。
自从1991年金属粉末直接激光烧结研究在Leuvne的Chatofci大学开展以来，利用SLS工艺直接烧结金属粉末成形三维零部件是快速原型制造的最终目标之一。
与间接SLS技术相比，DMLS工艺最主要的优点是取消了昂贵且费时的预处理和后处理工艺步骤。
直接金属激光成形（DMLS）
SLM技术需要使金属粉末完全熔化，直接成型金属件，因此需要高功率密度激光器激光束开始扫描前，水平铺粉辊先把金属粉末平铺到加工室的基板上，
然后激光束将按当前层的轮廓信息选择性地熔化基板上的粉末，加工出当前层的轮廓，然后可升降系统下降一个图层厚度的距离，滚动铺粉辊再在已加工好的当前层上铺金属粉末，
设备调入下一图层进行加工，如此层层加工，直到整个零件加工完毕。
选区激光熔化（SLM）
电子束选区熔化技术（EBSM）是一种采用高能高速的电子束选择性地轰击金属粉末，从而使得粉末材料熔化成形的快速制造技术。EBSM技术的工艺过程为：
先在铺粉平面上铺展一层粉末；然后，电子束在计算机的控制下按照截面轮廓的信息进行有选择的熔化，金属粉末在电子束的轰击下被熔化在一起，并与下面已成形的部分粘接，
层层堆积，直至整个零件全部熔化完成；最后，去除多余的粉末便得到所需的三维产品。
电子束熔化（EBM）
成型过程中，通过喷嘴将粉末聚集到工作平面上，同时激光束也聚集到该点，将粉光作用点重合，通过工作台或喷嘴移动，获得堆积的熔覆实体。
激光熔覆式成型技术（LMD）
金属3D打印常用的材料
工具钢和马氏体钢
工具钢的适用性来源于其优异的硬度、耐磨性和抗形变能力，以及在高温下保持切削刃的能力。模具H13热作工具钢就是其中一种，能够承受不确定时间的工艺条件；马氏体钢，以马氏体300为例，又称“马氏体时效”钢，在时效过程中的高强度、韧性和尺寸稳定性都是众所周知的。
不锈钢与碳钢不同，目前的铬含量不同，10.5%铬含量最低的钢合金，不锈钢不容易生锈腐蚀。目前，应用于金属3D打印的不锈钢主要有三种：奥氏体不锈钢316L、马氏体不锈钢15-5PH、马氏体不锈钢17-4PH。
纯钛及钛合金
目前应用于市场的纯钛，又称商业纯钛，分为1级和2级粉体，2级强于1级，对于大多数的应用同样具有耐腐蚀性。因为纯钛2级具有良好的生物相容性，因此在医疗行业具有广泛的应用前景。
一般情况下，镍基合金都具有良好的抗拉伸、抗疲劳和抗热疲劳性能。目前，主要有Inconel 738、Hastelloy X、Inconel 625、Inconel 713、Inconel 718等。
钴铬合金具有高强度、耐腐蚀性强、良好的生物相容性以及无磁性的性能，主要应用于外科植入物包括合金人工关节、膝关节和髋关节，同时其还可用于发动机部件以及时装、珠宝行业等。
应用于市场的铜基合金，俗称青铜，具有良好的导热性和导电性，可以结合设计自由度，产生复杂的内部结构和冷却通道，适合冷却更有效的工具**模具，如半导体器件，也可用于微型换热器，具有壁薄、形状复杂的特征。
目前，应用于金属3D打印的铝合金主要有铝硅AlSi12和AlSi10Mg两种。铝硅12，是具有良好的热性能的轻质增材制造金属粉末，可应用于薄壁零件如换热器或其他汽车零部件，还可应用于航空航天及航空工业级的原型及生产零部件；硅/镁组合使铝合金更具强度和硬度，使其适用于薄壁以及复杂的几何形状的零件，尤其是在具有良好的热性能和低重量场合中。
金属3D打印的应用范围
金属3D打印的主要应用领域是航空航天、军工、模具制造、汽车、珠宝及医疗领域。而随着技术的进步，金属3D打印件的质量会得到提升，金属3D打印的应用范围则会进一步扩大。
金属3D打印的优势
与传统制造业的CNC数控加工等“减材制造技术”相比，3D打印技术的的魅力主要在于可直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，
可以为复杂结构金属零部件免去开发开模环节，缩短新品开发周期，节省出更多的人力、财力和时间，具有制造成本低、研制周期短、
生产效率高等明显优势。此外，不受传统加工手段制约，生产形状复杂、尺寸微细、难于制造的零件也是3D打印技术的强项。
金属3D打印的发展难点
金属3D打印需要克服的难点一个是高温，因为金属材料熔点较高；另一个就是高应力，因为金属材料快速冷却凝固过程中内应力很大；除此之外，
组织及性能控制方面也是一大难点，因为金属3D打印部件是要直接使用的，不像非金属材料模型，而一旦使用就涉及到部件的机械强度。需要控制好微观组织，
才能达到力学性能要求，最终才能实现真正的应用。