在3D打印領(lǐng)域，材料選擇對最終零件的性能起著決定性作用。無論是金屬、塑料還是陶瓷，其特性直接影響從支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計到零件收縮控制的全流程。當兩類截然不同的材料（如高性能聚合物與金屬）均可用于先進終端零件時，如何抉擇成為關(guān)鍵問題。本文將系統(tǒng)探討這兩類材料的特性差異、3D打印工藝要求及典型應(yīng)用場景。

    材料特性與起源

    高性能聚合物（HPP）與金屬的本質(zhì)差異始于其起源。金屬廣泛存在于自然界（合金除外），而聚合物為人工合成產(chǎn)物。HPP的分子結(jié)構(gòu)由化學性質(zhì)各異且相互纏繞的聚合物鏈構(gòu)成，盡管來源不同，但其性能可與金屬媲美。

    需明確的是，"高性能聚合物"并非嚴格技術(shù)術(shù)語，而是指工程級熱塑性材料，通常具備高強度、高純度、高剛性及優(yōu)異耐磨、耐化學性。典型代表包括ULTEM、PEKK、PEEK等。相比之下，TPE/TPU、PC、尼龍等工程熱塑性塑料雖性能較弱，但成本更低，適用于對性能要求不高的場景。

    金屬材料涵蓋自然金屬與合金兩大類。常用金屬包括鋁及其合金、鋼（不銹鋼、工具鋼）、銅合金、鈦及其合金、鎳基鈷鉻合金，甚至金、銀等貴金屬。材料選擇取決于最終零件的功能需求，因每種金屬的機械、熱、化學性能各異。

    金屬形態(tài)多樣性顯著，除粉末外，還可制成線材、細絲（與聚合物基復合）或納米顆粒，為3D打印提供更多工藝選擇。而HPP在增材制造中主要以長絲形式應(yīng)用，雖也有粉末形態(tài)，但種類相對有限。

    核心性能對比

    HPP與金屬均具備優(yōu)異的機械、熱、化學性能。以PAEK（聚醚酮系列，如PEEK、PEKK）和PEI（Ultem）為代表的"超級聚合物"表現(xiàn)尤為突出：

    耐環(huán)境性能：卓越的耐化學品、液體、磨損、高溫及耐火性；

    熱穩(wěn)定性：高溫或低溫環(huán)境下仍保持機械性能，抗沖擊性強；

    輕量化：強度重量比優(yōu)于鋁（輕60-70%），兼顧耐用性與輕量化。

    金屬性能則因種類而異：

    鋁：輕量化優(yōu)勢顯著，強度重量比突出；

    銅：導電、導熱性能優(yōu)異，延展性強；

    鈦：生物相容性好，耐體液腐蝕，可與骨骼融合；

    鈷鉻合金：強度與延展性平衡。

    金屬的優(yōu)勢在于其廣泛的性能可選性（通過合金化調(diào)整），且可承受更寬的溫度范圍。但金屬加工能耗更高、周期更長（依賴激光工藝），而HPP在密度與輕量化方面更具優(yōu)勢。

    3D打印工藝差異

    材料特性直接決定3D打印工藝的選擇。金屬增材制造技術(shù)種類遠多于HPP，主要工藝包括：

    激光粉末床熔融（DMLS/EBM）：適用于高強度、高精度、輕量化零件；

    定向能量沉積（DED）：包括WAAM、EBAM、WAM等，用于大型金屬件制造與修復；

    粉末粘合：通過粘合劑成型后燒結(jié)；

    金屬擠壓：與聚合物基復合后脫脂燒結(jié)。

    HPP則主要采用擠出工藝（長絲或顆粒），雖SLS（選擇性激光燒結(jié)）也有應(yīng)用，但解決方案較少。需注意的是，HPP打印對設(shè)備要求嚴苛：

    需封閉腔室、高溫加熱床（>200℃）、高溫噴嘴；

    半結(jié)晶聚合物（如PEEK、PEKK）熔融穩(wěn)定性差，易變形；

    添加碳纖維、玻璃纖維等可提升熔融穩(wěn)定性與剛性。

    金屬打印的難點在于：

    需惰性氣體（如氬氣）保護，防止氧氣反應(yīng)；

    激光工藝需額外安全措施（防護服、口罩）；

    工藝步驟更復雜（如粉末去除、支撐結(jié)構(gòu)移除）。

    后處理要求

    HPP在后處理方面優(yōu)勢顯著。金屬零件通常需經(jīng)歷燒結(jié)、熱處理（熱等靜壓、退火）以實現(xiàn)致密化，過程中可能發(fā)生收縮，需在設(shè)計中預(yù)留補償。支撐結(jié)構(gòu)移除也因金屬硬度高而更具挑戰(zhàn)性，需通過表面精加工（拋光）改善粗糙度。

    HPP的后處理相對簡單，部分材料（如PEKK）需退火以優(yōu)化性能，但無需復雜熱處理。表面處理（如拋光）可進一步提升零件質(zhì)量，但整體步驟少于金屬。

    典型應(yīng)用場景

    HPP與金屬的應(yīng)用領(lǐng)域高度重疊，尤其在需兼顧性能與輕量化的場景：

    航空航天：耐溫、高強度的零件（如發(fā)動機部件、結(jié)構(gòu)組件）；

    工業(yè)制造：軸承保持架、管道配件（汽車、運輸領(lǐng)域）；

    醫(yī)療領(lǐng)域：生物相容性材料（鈦合金、PEEK）用于植入物制造。

    HPP憑借其輕量化優(yōu)勢，在替代傳統(tǒng)金屬零件（如鋁制汽車部件）方面展現(xiàn)潛力，而金屬仍在大范圍溫度承受、極端強度需求場景中占據(jù)主導。

    綜上，HPP與金屬在3D打印中各有優(yōu)勢：HPP以輕量化、易加工見長，金屬則以廣泛性能可選性、高溫耐受性取勝。具體選擇需結(jié)合零件功能需求、成本預(yù)算及工藝可行性綜合評估。