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盤點10種最常用的金屬3D打印技術(shù)路線

升華三維 2022-08-22 | 閱讀：1091

隨著科技發(fā)展及推廣應(yīng)用的需求，利用快速成型制造金屬功能零件成為快速成型主要的發(fā)展方向。本文讓我們來看看3D打印金屬零件的所有技術(shù)，以及你該選擇用那種技術(shù)打印金屬零件。

目前，市面上大約有10種方法可以3D打印金屬零件。這些方法根據(jù)所使用的原材料形態(tài)以及能量源進行粗略的劃分，比如材料是金屬絲、金屬粉末還是金屬線材。有些甚至還使用金屬樹脂、金屬棒和金屬顆粒作為原材料，每種方法都能制造出具有不同屬性的部件。

選擇使用哪種金屬技術(shù)需要考慮零件細(xì)節(jié)、形狀、尺寸、強度、金屬類型、成本、打印速度和數(shù)量等方面的因素。如果從這些方面進行分析，每項技術(shù)都有優(yōu)點和缺點，不幸的是，沒有一種方法能快速、廉價、完美地3D打印出超強的零件，所以要根據(jù)應(yīng)用需求來選擇到底使用哪種技術(shù)。

3D打印金屬的10種最佳方法

技術(shù)類型	成型尺寸	成本	最小層高	零件性能	打印速度
FDM/Extrusion 熔融擠出成型（線材）	小到中	$	0.05 mm	中到高	最高500 mm/s
SLM/PBF 選擇性激光熔融或激光粉末床	小到中	$$$	0.02 mm	高	最高25 cm3/h
EBM/PBF 電子束熔融或者電子束粉末床	小到中	$$$$	0.07 mm	高	55 – 80 cm3/h
Metal Binder Jetting 金屬粘結(jié)劑噴射	小到中	$$$	0.035 mm	高	1,500 cm3/h
WAAM 電弧送絲	大到非常大	$$	1 mm	高	2.2 kg/h
DED Laser 激光直接能量沉積	中到大	$$$$	0.2 mm	高	500 cm3/h
DED eBeam 電子束直接能量沉積	中到大	$$$	0.2 mm	高	2,000 cm3/h
Metal Lithography 金屬立體光刻	很小到中	$$$$	0.01 mm	高	最高300層/小時
Cold Spray 冷噴涂	中到大	$$	0.38 mm	高	100 g/m
Micro 3D Printing 微納3D打印	很小	$$$$	0.005 mm	高	–

10種金屬3D打印技術(shù)簡介

1. FDM與擠出成型

△在FDM 3D打印機上使用巴斯夫Forward AM的不銹鋼長絲3D打印的金屬零件（來源：Ultimaker、IGO3D）

有幾種3D打印技術(shù)屬于擠出技術(shù)。一種是我們熟悉的熔融沉積成型（FDM），它使用由塑料基底制成的長絲，其中均勻地注入了金屬顆粒。打印金屬部件的金屬長絲必須含有高比例的金屬粉末（約80%），并需要經(jīng)過脫脂、燒結(jié)等后處理，以去除塑料成分得到金屬部件。市場上的一些桌面FDM 3D打印機可以用金屬絲打印，這些金屬絲有不銹鋼（316L，17-4 PH）、銅和鈦。

另一項技術(shù)使用的是具有更高濃度的金屬長絲。以至于它實際上是一根堅固的金屬棒，但仍然可以被加熱和擠出。這些材料通常是某一特定3D打印機所獨有的，如Markforged或Desktop Metal，其成本比普通FDM高，但比其他金屬3D打印方法低。

第三種金屬擠出方法（在工業(yè)領(lǐng)域有更多）是使用金屬顆粒進行擠出，金屬顆?？梢允桥c注射成型相同的材料，因此材料體系較為豐富且全面，性價比很高，當(dāng)然也可以是特別制作的顆粒。如國內(nèi)升華三維，其可基于注射成型的材料進行二次開發(fā)及適配，極大提高了材料的靈活性、優(yōu)化材料性能，進而使燒結(jié)制品致密性提高，強度增加、韌性加強，延展性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性得到改善、磁性能提高。

△基于金屬粉末擠出工藝3D打印出金屬零件（來源：升華三維）

2. 使用激光的金屬粉末床熔融——選擇性激光熔化(SLM)

△金屬打印機制造商SLM Solutions的粉末床熔融設(shè)備，使用激光來融化金屬粉末（來源：SLM Solutions）

使用高功率激光器選擇性地熔化金屬粉末的3D打印機，這種技術(shù)的設(shè)備占了金屬3D打印機的大多數(shù)，通常被稱為選擇性激光熔化（SLM）或粉末床熔化（PBF）。打印機可以使用 "純 "金屬材料，也可以使用合金材料。

SLM 3D打印機使用粉末狀金屬原材料，在投入打印倉之后，由刮刀或滾筒將金屬粉末平鋪在基板或構(gòu)建平臺上形成一個薄層。接下來，一個高功率的激光器按照切片的圖案來選擇性地熔化粉末材料。然后，構(gòu)建板下降到一個小層的高度，涂布機在表面上鋪上另一層新的粉末。打印機不斷重復(fù)這些步驟，直到得到成品部件。

與EBM技術(shù)相比，SLM技術(shù)可以打印出更好的初始表面光潔度和更高的精度。

3. 用電子束進行金屬粉末床融合——電子束熔融（EBM）

△使用電子束的粉末床熔融技術(shù)因打印速度快和高產(chǎn)量而受到推崇，這些外科植入物是使用GE Additive公司的Arcam 3D打印機打印的（來源：GE Additive公司）

電子束熔化是一種使用電子束作為能量來源的3D打印技術(shù)，主要用于導(dǎo)電金屬。所有EBM 3D打印機都由一個能夠發(fā)射電子束的能量源、一個粉末容器、一個送粉器、一個粉末再涂層器和一個加熱的構(gòu)建平臺組成。需要注意的是，打印過程必須在真空中進行。這是因為電子束的電子會與氣體分子發(fā)生碰撞，這將 "殺死 "電子束。

由于電子束能量較高，EBM可以比SLM更快，產(chǎn)品部件的殘余應(yīng)力也比SLM低。

4. 金屬粘結(jié)劑噴射

△使用3D打印機制造商ExOne（被Desktop Metal收購）的金屬粘結(jié)劑噴射技術(shù)制造的金屬零件（來源：ExOne）

金屬粘結(jié)劑噴射可以打印出具有復(fù)雜設(shè)計的零件，而不是實心的，由此產(chǎn)生的零件在具有同樣強度的同時，也大大減輕了重量。粘結(jié)劑噴射的多孔性特征也可用于實現(xiàn)醫(yī)療應(yīng)用中更輕的終端零件，如植入物。與其他增材制造工藝一樣，粘結(jié)劑噴射可以生產(chǎn)具有內(nèi)部通道和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜部件，消除了焊接的需要，減少了部件的數(shù)量和重量。為粘結(jié)劑噴射重新設(shè)計你的金屬部件，可以大大減少使用和浪費的材料。

總的來說，金屬粘結(jié)劑噴射零件的材料特性與用金屬注射成型生產(chǎn)的金屬零件相當(dāng)，后者是大規(guī)模生產(chǎn)金屬零件的最廣泛使用的制造方法之一。另外，粘結(jié)劑噴射部件表現(xiàn)出更高的表面光滑度，特別是在內(nèi)部通道。

5. 電弧送絲增材制造（WAAM）

△來自MX3D的WAAM鋼件（來源：MX3D）

電弧送絲增材制造以金屬線為材料，以電弧為能量來源，與焊接非常相似。電弧熔化金屬絲，然后被機械臂一層一層地沉積到一個成型平臺上。與焊接一樣，惰性氣體被用來防止氧化并改善或控制金屬的特性。

這個過程逐漸將材料制造成一個完整的三維物體或修復(fù)現(xiàn)有物體。沒有支撐結(jié)構(gòu)需要移除，如果有必要，成品部件可以通過數(shù)控加工達到嚴(yán)格的公差，或者進行表面拋光。通常情況下，打印出來的部件需要熱處理，以釋放殘余應(yīng)力。

6. 基于激光的定向能量沉積（DED）

△使用激光定向能沉積技術(shù)在DMG Mori的機器上3D打印金屬零件（來源：DMG Mori）

使用激光定向能量沉積技術(shù)來熔化金屬材料，同時由噴嘴沉積。金屬材料可以是粉末或金屬絲形式。盡管用DED技術(shù)能夠建造完整的零件，但這種技術(shù)通常被用來修復(fù)或增加現(xiàn)有物體的材料。當(dāng)與數(shù)控加工相結(jié)合時，它可以產(chǎn)生一個精確的成品部件。

DED系統(tǒng)可能不同于PBF系統(tǒng)，因為使用的粉末通常尺寸較大，需要更高的能量密度。與PBF系統(tǒng)相比，擁有更快的構(gòu)建速率。然而，帶來了較差的表面質(zhì)量，可能需要額外的加工。通常用于PBF系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)很少或從未用于DED，DED通常使用多軸轉(zhuǎn)臺來旋轉(zhuǎn)構(gòu)建平臺以實現(xiàn)不同的特征。在不需要粉末床的情況下，DED系統(tǒng)可以在現(xiàn)有零件上進行維修或打印。

7. 基于電子束定向能量沉積(DED)

△xBeam DED打印機電子束熔化金屬線3D打印的零件，這些打印出來的零件有一半經(jīng)過CNC加工，以達到最終的零件質(zhì)量要求（來源：xBeam)

電子束定向能量沉積使用電子束熔化金屬線（而不是粉末），同時由噴嘴沉積。與上述WAAM非常相似，電子束DED因速度而受到推崇。與WAAM不同，這些打印機需要一個真空室。通常情況下，零件被打印成接近凈值的形狀，然后用數(shù)控機床加工成嚴(yán)格的公差，如上面的照片所示。

8. 金屬立體光刻技術(shù)

△用混合了金屬的樹脂材料制作的金屬打印件通常出現(xiàn)在微型3D打印中（來源：Incus)

金屬光刻技術(shù)，也稱為基于光刻技術(shù)的金屬制造（LMM），使用光敏樹脂和金屬粉末的混合物漿料作為原料。這種對光敏感的漿料在光的作用下被逐層選擇性地聚合起來。金屬立體光刻擁有出色的表面質(zhì)量，大多用于（但不限于）微型3D打印，因此它具有極高的細(xì)節(jié)。

9. 冷噴涂

△來源：Impact Innovations

冷噴是一種制造技術(shù)，它以超音速噴射金屬粉末，在不熔化的情況下將其粘合，這幾乎不產(chǎn)生熱應(yīng)力。自21世紀(jì)初以來，它被用作一種涂層工藝，但最近幾家公司已將冷噴技術(shù)用于增材制造，因為它能以比典型的金屬3D打印機高約50至100倍的速度將金屬層精確到幾厘米。

在增材制造方面，冷噴正在被用于快速制造金屬替代部件，以及金屬部件的現(xiàn)場維修和修復(fù)，如石油和天然氣行業(yè)的軍事設(shè)備和機械。修復(fù)后的零件，在某些情況下，可以比新的更好。

10. 微納金屬3D打印

△來自3D MicroPrint的微納金屬3D打?。▉碓矗?D MicroPrint）

有兩種方法可以制造微型金屬3D打印部件：上面提到的金屬立體光刻技術(shù)和微納選擇性激光燒結(jié)（μSLS），這是一種小規(guī)模的激光粉末床熔融技術(shù)，上面也提到過。也被稱為微型激光燒結(jié)或微型激光熔化，這種工業(yè)技術(shù)使用一個粉末床和一個精細(xì)激光。