钛合金桌面金属3D打印的难点

采用基于挤出的桌面金属3D打印工艺处理钛合金一直存在挑战，这种材料的粉末形式具有极强的反应性且难以烧结。3D打印技术参考通过升华三维了解到，钛合金的打印和烧结过程对氧含量很敏感，如果过程控制不好，便难以实现零件致密化以及好的延伸率；设备稳定性、温度均匀性都是考量指标。

Desktop Metal指出，由其第二代桌面金属3D打印系统Studio System2生产的Ti64具有卓越的机械性能，拉伸强度、屈服强度以及断后伸长率分别达到730Mpa、845MPa和17%。这些数据超过了ASTM F2885-17为金属注射成型外科植入物应用设定的标准。

桌面金属3D打印的Ti64拉伸曲线

桌面金属3D打印的Ti64微观组织

使用桌面金属3D打印系统来打印Ti64钛合金来开发应用，具有比使用传统粉末床熔融（SLM/EBM）3D打印设备更低的使用成本和运营成本。Desktop Metal自推出桌面金属3D打印机以来，已被福特、宝马、伊顿、谷歌、3M、史丹利、洛克希德马丁以及世界领先的教育机构，如麻省理工学院(MIT)、米兰理工大学等30多个国家的数百家客户采用。

钛合金桌面金属3D打印的应用案例

• 机器支架

该支架使用晶格填充和钛合金打印代替17-4PH不锈钢，能够减轻重量并减少材料的使用量，同时可以保持所需的功能强度和刚度。由于结构的复杂性，传统制造工艺不可能完成生产，使用Ti64在Studio System2上3D打印这种新设计将零件重量减轻了59%。

桌面金属3D打印的Ti64机器支架

• 望远镜对焦环

小型望远镜聚焦环将镜头固定在移动望远镜上，该望远镜具有多个用于定位和聚焦镜头的电机。采用Ti64 3D打印的对焦环可确保所有组件具有极轻的重量，从而可以使用更小的电机，减少组件的磨损和组装的总成本。通常，该部件需要小批量生产，因此需要购买昂贵的工具或定制夹具。Studio System 2则在不到24小时内打印了多达六个对焦环，并可以在几天内完成后续处理实现安装。

• 无人机联轴器

无人机面临的主要挑战之一是电池寿命，这主要取决于无人机的重量。用钛合金制造的联轴器可以显著减轻重量，同时保持无人机框架所需的结构刚度。Studio System 2支持每周实现15到25个零件的小批量生产，然后再将其投入批量生产，所有这些过程都不需要任何工具或机加工。

桌面金属3D打印的Ti64零件

• 喷油嘴

燃料喷射器喷嘴对于航空航天工业的安全和可靠运行至关重要，它们负责将燃料驱动到燃烧器中进行推进。该部件包含内部通道，可提高燃烧器的性能，但无法使用传统工艺制造。钛合金是该应用的重要材料，因为喷嘴需要能够承受极端温度和压力，同时保持轻量化。使用Studio System 2，工程师可以在短短几天内测试喷嘴的多种设计变化，并在不到24小时内打印多达四个版本的喷嘴。

第二代桌面金属3D打印系统及其材料

第二代 Studio System 2 保留了上一代打印机的所有关键功能，同时采用了全新材料配方，其中的关键在于，以前的材料中包含了蜡、树脂以及金属粉末，采用的是脱脂方法是溶剂脱脂。溶剂脱脂在所属的行业中实际上是上一代工艺，脱脂时间长，不仅拉长了整个产品生产周期，还制约着可生产产品的壁厚或者尺寸，使得基于该工艺的技术只适合成形尺寸小、壁薄且厚度均匀的零部件。而脱脂工艺的不同，依赖于3D打印线材中的粘结剂成分。

Desktop Metal指出，其优化后的材料配方无需使用溶剂处理，打印完成可直接送入烧结炉进行处理，实现了脱脂烧结一步完成。因此，这套系统只包含打印机以及烧结炉。Desktop Metal对该产品鼓吹的重点一直都是适合办公室使用的增材制造系统，此类工艺确实避免了对粉末和激光的暴露风险。新设备还升级了文件处理功能，以实现零件在烧结过程中更均匀的收缩，并提高成功率；同时有助于提高零件侧面以及支撑面的表面质量。

采用桌面金属3D打印机制造的零件，经脱脂烧结后具有与铸件相似的机械性能，并达到或超过了相关行业标准。Desktop Metal的Studio System系统除可打印Ti64钛合金之外，还支持打印316L及17-4PH不锈钢、4140低合金钢、H13工具钢以及铜合金。

END

Ti64钛合金基于桌面金属3D打印仍充满挑战。业内知名的早期设备制造商Markforged、后旗之秀Raise3D等至今未推出该材料，BASF也仅有316L不锈钢线材；而据3D打印技术参考了解，针对于钛合金桌面金属3D打印，国内升华三维已经取得了一定进展。