10種最常用的金屬3D打印技術(shù)路線，該如何選擇？

魔猴君  知識堂   999天前

導(dǎo)讀：幾年前，用金屬進(jìn)行3D打印還只是用于工業(yè)?，F(xiàn)在這一切都變了，金屬3D打印可以在桌面FDM 3D打印機(jī)和更多的專業(yè)機(jī)器上實現(xiàn)，不但可以生產(chǎn)高質(zhì)量的零件，而且價格也更容易接受。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。

△Raise3D推出的Forge1 3D打印機(jī)可以打印金屬零件（來源：Raise3D）

金屬3D打印零件案例

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(jìn)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(qiáng)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(jìn)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(qiáng)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)。

讓我們來看一些金屬零件的例子。

△像這種用金屬絲3D打印的零件，往往需要進(jìn)行后期加工（來源：BCN3D）

上面這個小的鋼制噴嘴是一個使用金屬絲打印的零件。像這樣的零件完全適合使用金屬長絲，能夠在車間或辦公室快速地現(xiàn)場3D打印，使用經(jīng)濟(jì)實惠的FDM 3D打印機(jī)，然后交給第三方進(jìn)行后處理。總的來說，這個過程可能只需要幾天時間。使用其他的制造方法，來制造這個零件將會成本昂貴并且緩慢。

△Zenith Tecnica公司使用GE的電子束熔化技術(shù)3D打印的鈦合金骨科植入物（來源：Zenith Tecnica公司）

這些髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)植入物樣本（上圖）是使用電子束熔化（EBM）打印的。它們結(jié)構(gòu)錯綜復(fù)雜，使用昂貴的鈦制成，并按照極高的材料質(zhì)量和公差制造，以滿足醫(yī)療植入物標(biāo)準(zhǔn)。EBM 3D打印機(jī)的真空環(huán)境確保了清潔和可控的打印條件，而高功率的電子束使打印機(jī)能夠在每次構(gòu)建中生產(chǎn)多個零件，以實現(xiàn)高生產(chǎn)率。

△使用WAAM 3D打印技術(shù)打印的起重機(jī)吊鉤（來源：Huisman）

上面這個巨大的起重機(jī)吊鉤是用電弧增材制造（WAAM）打印的，然后進(jìn)行后期加工。像這樣一個巨大和沉重的零件非常適合使用WAAM，因為這項技術(shù)比任何傳統(tǒng)的金屬制造方法（如鍛造或鑄造）更快，而且同樣堅固。此外，這種零件可以在離需求點較近的工廠中生產(chǎn)，甚至可以在現(xiàn)場生產(chǎn)，例如在石油鉆井平臺上。

△Cobra Golf在2020年推出了3D打印的King Supersport-35高爾夫球推桿，它是使用惠普Multi Jet金屬粘合劑噴射技術(shù)3D打印的（來源：Cobra Golf）

Cobra Golf上面的這些高爾夫球桿是使用惠普的金屬粘合劑噴射技術(shù)3D打印的。這種獨(dú)特的形狀是其他任何制造技術(shù)都無法做到的。由于需要成千上萬個相同的零件，制造商選擇了粘合劑噴射技術(shù)，因為它的速度快、產(chǎn)量高。同時，這項技術(shù)還能打印出色的表面光潔度。Cobra Golf將球桿制造轉(zhuǎn)交給一家美國本地的增材制造商，無需從亞洲的制造中心制造和發(fā)貨。

3D打印金屬的10種最佳方法

△來自通快的選擇性激光熔化部件（來源：通快）

該如何選擇適合自己的金屬3D打印技術(shù)？

正如你在上圖中所看到的，并非所有的金屬3D打印技術(shù)特征都是以相同的方式測量的，特別是在涉及到構(gòu)建速度時。一些技術(shù)通過沉積材料的重量來記錄構(gòu)建速度，而其他技術(shù)則以材料的成型體積來衡量。這些速度也受到被打印部件的形狀的影響。此外，一項技術(shù)中的每臺3D打印機(jī)都不可能達(dá)到相同的速度。

層高，通常是打印精細(xì)細(xì)節(jié)能力的一個參數(shù)，但它受所使用的材料、零件的形狀和打印速度的影響。在投資任何一項技術(shù)之前，請向多家3D打印機(jī)制造商索取樣品部件（相同的部件）。樣品零件應(yīng)該附帶一份報告，說明打印該零件需要多長時間，打印機(jī)可以一次打印多少個該尺寸和形狀的零件，每個零件的價格，以及材料消耗。

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(jī)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(jī)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(jī)所獨(dú)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（盡管在工業(yè)領(lǐng)域有更多）是使用金屬顆粒進(jìn)行擠出，金屬顆?？梢允桥c注射成型相同的材料，因此成本較低，也可以是特別制作的顆粒。

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(jī)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(jī)，這種技術(shù)的設(shè)備占了金屬3D打印機(jī)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(jī)可以使用 "純 "金屬材料，也可以使用合金材料。

SLM 3D打印機(jī)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(jī)在表面上鋪上另一層新的粉末。打印機(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)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(qiáng)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(fèi)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(jī)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(dá)到嚴(yán)格的公差，或者進(jìn)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(jī)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(jìn)行維修或打印。

7. 基于電子束定向能量沉積(DED)

△xBeam DED打印機(jī)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(dá)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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?/span>3D 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。

3D打印中的金屬材料

△來自The Virtual Foundry的FDM打印金屬長絲（來源：The Virtual Foundry）

幾乎所有的金屬都可以進(jìn)行3D打印。除了零件的復(fù)雜性和速度之外，3D打印金屬的主要優(yōu)勢之一是節(jié)省原材料和幾乎沒有浪費(fèi)。當(dāng)使用昂貴的材料（如鈦）進(jìn)行打印時，這一點極為重要。

一些3D打印方法可以使用已經(jīng)用于注射成型的的材料，如一些粉末、線材和顆粒，而其他材料則是為3D打印而獨(dú)特配制的。如果你知道你的零件需要用什么材料打印，請查看下面的指南，了解你可以打印鈦、鋁和鋼的所有方法。

△BeamIT金屬3D打印服務(wù) (來源: BeamIT)

為了從3D打印給金屬零件和產(chǎn)品帶來的所有優(yōu)勢中獲益，你不一定需要投資自己的3D打印機(jī)。全球各地有越來越多的3D打印服務(wù)提供商，他們不僅可以用你選擇的金屬打印你的產(chǎn)品或原型，而且它們甚至可以為你的零件提供最佳方法、材料和設(shè)計的建議。

編譯自：all3dp