溫故而知新，詳解幾種常見的金屬3D打印技術(shù)

來源：材料基

金屬3D打印被認為是所有3D打印的頂點。談到強度和耐用性，沒有什么能比得上金屬。最早的金屬3D打印專利是DMLS（直接金屬激光燒結(jié)），由德國EOS在1990年代獲得。從那時起，金屬3D打印逐漸發(fā)展出了許多種類的打印工藝?，F(xiàn)在，每臺金屬3D打印機通常都會使用以下四類工藝中的一種：粉末床融合、粘合劑噴射、直接能量沉積和材料擠壓。

△金屬3D打印

金屬粉末床熔化（Metal Powder Bed Fusion）

常用工藝：DMLS（直接金屬激光燒結(jié)）、SLM（選擇性激光熔化）和EBM（電子束熔化）。

描述：使用PBF熔化技術(shù)生產(chǎn)的金屬零件可以減少殘余應(yīng)力和內(nèi)部缺陷，成為航空航天和汽車工業(yè)中苛刻應(yīng)用的理想選擇。

直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）：可用于幾乎任何金屬合金構(gòu)建物體。直接金屬激光燒結(jié)在要打印的表面上散布一層非常薄的金屬粉末。激光緩慢而穩(wěn)定地穿過表面以燒結(jié)這種粉末，金屬內(nèi)部顆粒融合在一起，即使沒有被加熱到完全熔化狀態(tài)。然后施加并燒結(jié)額外的粉末層，從而一次“打印”物體的一個橫截面。打印完成后，物體會慢慢冷卻，多余的粉末可以從構(gòu)建室中回收并循環(huán)使用。DMLS的主要優(yōu)點是它生產(chǎn)的物體沒有殘留應(yīng)力和內(nèi)部缺陷，這對于高應(yīng)力下的金屬部件（例如航空航天或汽車零件）極為重要，而主要缺點是非常昂貴。

選擇性激光熔化（SLM）：使用高功率激光將每一層金屬粉末完全熔化，而不僅僅是燒結(jié)，這樣產(chǎn)生的打印物體非常致密和堅固。目前，這項工藝只能用于某些金屬，例如不銹鋼、工具鋼、鈦、鈷鉻合金和鋁。SLM制造過程中出現(xiàn)的高溫梯度也會導(dǎo)致最終產(chǎn)品內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力和錯位，從而損害物理性能。

電子束熔化（EBM）：與選擇性激光熔化非常相似，能夠生成致密的金屬結(jié)構(gòu)。這兩種技術(shù)的區(qū)別在于EBM使用電子束而不是激光來熔化金屬粉末。目前，電子束熔化只能用于有限數(shù)量的金屬。盡管也可以使用鈷鉻合金，但鈦合金仍是這種工藝的主要原材料。這項技術(shù)主要用于制造航空航天工業(yè)的零件。

技術(shù)優(yōu)點：可以高精度制造幾乎任何幾何形狀。使用金屬范圍廣泛，包括最輕的鈦合金和最堅固的鎳高溫合金，這些都是傳統(tǒng)制造技術(shù)難以加工的。機械性能可以比肩鍛造金屬，能夠像傳統(tǒng)制造金屬零件一樣進行機械加工、涂層和處理。

技術(shù)缺點：材料、機械和操作成本高。零件必須通過支撐結(jié)構(gòu)（以防止翹曲）連接到構(gòu)建板上，這會產(chǎn)生廢料并需要手動后處理移除。構(gòu)建尺寸有限，并且金屬粉末處理具有危險性，需要嚴格的過程控制。

△PBF粉末床熔化

金屬粘合劑噴射（Metal Binder Jetting）

常用工藝：MJF（多噴射熔合）、NPJ（納米粒子噴射）

描述：這項技術(shù)使用噴墨將一種粘合劑選擇性滴在平坦的粉末床上。接收液滴的區(qū)域?qū)⒈还袒溆喾勰┍３炙缮?。逐層進行以上步驟，直到生成整個對象。使用這項工藝可以處理金屬、沙子、陶瓷等材料。由于金屬粘合劑噴射機在室溫下運行，不會發(fā)生翹曲且不需要支撐。因此，粘合劑噴射機可以比粉末床融合機大得多，并且可以堆疊物體，充分利用整個構(gòu)建室，是小批量生產(chǎn)和按需制造的流行選擇。

技術(shù)優(yōu)點：可以大體積打印，零件不需要連接到構(gòu)建板上，因此可以嵌套以利用所有可用的構(gòu)建體積。對幾何體限制較少，通常不需要支撐。不會發(fā)生翹曲，因此可以制作更大的零件。打印速度非?？欤确勰┐踩廴诮饘俅蛴〕杀靖?。

技術(shù)缺點：部件在打印后必須經(jīng)過耗時的脫脂和爐燒結(jié)過程，機器和材料成本高。孔隙率高于粉末床熔合，因此機械性能不那么好，且可選材料較少。

△粘合劑噴射3D打印機

直接能量沉積（Direct Energy Deposition）

常用工藝：DED（直接金屬沉積）、WAAM（電弧增材制造）、LMD（激光材料沉積）

描述：這種方法通過擠壓金屬，無論是金屬粉末還是金屬絲，然后立即受到高能量的撞擊（可以通過等離子弧、激光或電子束實現(xiàn)熔化）。能量熔化金屬，熔池立即下降到3D空間，通過機械臂進行位置操作。它與焊接非常相似，因此主要應(yīng)用之一是修復(fù)現(xiàn)有金屬零件并增加零件的功能性。

技術(shù)優(yōu)點：金屬絲是最實惠的金屬3D打印材料形式，有些機器甚至可以使用兩種不同的金屬粉末來制造合金和材料梯度。5軸和6軸運動可以在不使用支撐材料的情況下生產(chǎn)模型?？梢孕迯?fù)損壞的金屬部件并添加新組件。構(gòu)建體積大，材料使用高效，零件密度高，機械性能好，打印速度快。

技術(shù)缺點：零件表面質(zhì)量較差，通常需要機加工和精加工，小細節(jié)很難或不可能實現(xiàn)。機械和操作成本高。

△激光金屬沉積(LMD)

金屬材料擠壓（Metal Material Extrusion）

常用工藝：FDM（熔融沉積建模）/FFF（熔絲制造）

描述：這項技術(shù)專為使廉價金屬3D打印而創(chuàng)建，可用于中小型企業(yè)。設(shè)計工作室、機械車間和小型制造商使用金屬材料擠壓機來迭代設(shè)計、創(chuàng)建夾具和固定裝置，并完成小批量生產(chǎn)。領(lǐng)域的最新發(fā)展是金屬絲，可在大多數(shù)桌面FDM3D打印機中使用，使幾乎每個人都可以使用金屬3D打印。金屬材料擠壓的工作原理：

1)      聚合物細絲或浸有金屬小顆粒的線材按照設(shè)計形狀逐層3D打印。

2)      清洗3D打印部件，去除一些粘合劑。

3)      將零件放入燒結(jié)爐中，金屬顆粒熔化成固體金屬。

技術(shù)優(yōu)點：實惠、操作簡單安全。

技術(shù)缺點：零件必須經(jīng)過與粘合劑噴射零件相同的脫脂和燒結(jié)過程。需要對幾何形狀和支撐進行更多限制以防止翹曲，且零件具有高孔隙率，無法達到鍛造金屬相同的機械性能。零件不像使用PBF或DED那樣致密，而且爐內(nèi)收縮不太準確。

△MarkforgedMetal X 3D打印機的樣品零件 [圖片來源：Markforged]

其他金屬3D打印工藝

焦耳打?。↗oule Printing）：Digital Alloys的焦耳打印看起來很像DED，但金屬絲是利用電流熔化，而不是用電弧或光束加熱。這使得打印速度更快，目前已經(jīng)證明每小時可打印多達2公斤的鈦。

液態(tài)金屬增材制造（Liquid Metal AdditiveManufacturing）：Vader Systems 創(chuàng)建了液態(tài)金屬增材制造技術(shù)，將1200°C的液態(tài)金屬液滴以類似于噴墨打印機的方式沉積。

電化學(xué)沉積（Electrochemical Deposition）：Exaddon的CERES納米級金屬3D打印機，可以使用電化學(xué)沉積制造比人類頭發(fā)寬度還小的金屬物體。

DLP金屬打?。―LP metalprinting）：ADMATEC和Prodways提供金屬DLP打印。類似于金屬材料擠出，金屬粉末與光聚合物樹脂混合，3D打印部件必須經(jīng)過相同的脫脂和燒結(jié)過程，就像金屬材料擠壓方法一樣。

冷噴涂金屬打?。–old Spray Metal Printing）：冷噴涂金屬打印最初被美國宇航局用于太空中建造金屬物體。主要特點是快（每小時6公斤的鋁或銅），缺點是不是那么準確。澳大利亞公司Titomic和SPEE3D是這項技術(shù)的領(lǐng)跑者。

超聲波固結(jié)（UAM）：使用聲音將薄薄的金屬箔層粘合在一起，在粘合下一層箔之前加工掉每一層的多余部分，因此它是增材制造和減材制造的結(jié)合。Fabrisonic的 SonicLayer 3D 打印機系列使用了這項技術(shù)。

激光工程凈成型（LENS）：是一種基于激光的方法，需要一個非?？煽氐沫h(huán)境。這種工藝需要一個密封室，通常使用氬氣清除氧氣，使氧化水平盡可能低。LENS激光器的功率范圍從500W到4kW?？捎糜诩庸も仭⒉讳P鋼和鉻鎳鐵合金。盡管維護無氧室存在困難，但LENS為用戶提供了更好的精確度和控制。

電子束自由形式制造（EBF3）：最初由NASA開發(fā)，是一種主要用于航空航天工業(yè)的方法。這種方法可以在不浪費任何材料的情況下制作出復(fù)雜幾何形狀，并且能夠創(chuàng)造出輕量級形狀以促進燃料節(jié)約。

△DigitalAlloys的焦耳3D打印工藝。圖片來源：Digital Alloys