10種最常用的金屬3D打印技術路線，該如何選擇？
魔猴君 知識堂 1000天前
導讀：幾年前，用金屬進行3D打印還只是用于工業(yè)?，F在這一切都變了，金屬3D打印可以在桌面FDM 3D打印機和更多的專業(yè)機器上實現，不但可以生產高質量的零件，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，以及你該選擇用那種技術打印金屬零件。
△Raise3D推出的Forge1 3D打印機可以打印金屬零件（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需要考慮零件細節(jié)、形狀、尺寸、強度、金屬類型、成本、打印速度和數量等方面的因素。如果從這些方面進行分析，每項技術都有優(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，所以要根據應用需求來選擇到底使用哪種技術。
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場3D打印，使用經濟實惠的FDM 3D打印機，然后交給第三方進行后處理?？偟膩碚f，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3D打印的鈦合金骨科植入物（來源：Zenith Tecnica公司）
這些髖關節(jié)和膝關節(jié)植入物樣本（上圖）是使用電子束熔化（EBM）打印的。它們結構錯綜復雜，使用昂貴的鈦制成，并按照極高的材料質量和公差制造，以滿足醫(yī)療植入物標準。EBM 3D打印機的真空環(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能夠在每次構建中生產多個零件，以實現高生產率。
△使用WAAM 3D打印技術打印的起重機吊鉤（來源：Huisman）
上面這個巨大的起重機吊鉤是用電弧增材制造（WAAM）打印的，然后進行后期加工。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，甚至可以在現場生產，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3D打印的。這種獨特的形狀是其他任何制造技術都無法做到的。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，因為它的速度快、產量高。同時，這項技術還能打印出色的表面光潔度。Cobra Golf將球桿制造轉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？
正如你在上圖中所看到的，并非所有的金屬3D打印技術特征都是以相同的方式測量的，特別是在涉及到構建速度時。一些技術通過沉積材料的重量來記錄構建速度，而其他技術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，一項技術中的每臺3D打印機都不可能達到相同的速度。
層高，通常是打印精細細節(jié)能力的一個參數，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之前，請向多家3D打印機制造商索取樣品部件（相同的部件）。樣品零件應該附帶一份報告，說明打印該零件需要多長時間，打印機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打印技術屬于擠出技術。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%），并需要經過脫脂、燒結等后處理，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（盡管在工業(yè)領域有更多）是使用金屬顆粒進行擠出，金屬顆粒可以是與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)
△金屬打印機制造商SLM Solutions的粉末床熔融設備，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，這種技術的設備占了金屬3D打印機的大多數，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。打印機不斷重復這些步驟，直到得到成品部件。
與EBM技術相比，SLM技術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因打印速度快和高產量而受到推崇，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，主要用于導電金屬。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，產品部件的殘余應力也比SLM低。
4. 金屬粘結劑噴射
△使用3D打印機制造商ExOne（被Desktop Metal收購）的金屬粘結劑噴射技術制造的金屬零件（來源：ExOne）
金屬粘結劑噴射可以打印出具有復雜設計的零件，而不是實心的，由此產生的零件在具有同樣強度的同時，也大大減輕了重量。粘結劑噴射的多孔性特征也可用于實現醫(yī)療應用中更輕的終端零件，如植入物。與其他增材制造工藝一樣，粘結劑噴射可以生產具有內部通道和結構的復雜部件，消除了焊接的需要，減少了部件的數量和重量。為粘結劑噴射重新設計你的金屬部件，可以大大減少使用和浪費的材料。
總的來說，金屬粘結劑噴射零件的材料特性與用金屬注射成型生產的金屬零件相當，后者是大規(guī)模生產金屬零件的最廣泛使用的制造方法之一。另外，粘結劑噴射部件表現出更高的表面光滑度，特別是在內部通道。
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現有物體。沒有支撐結構需要移除，如果有必要，成品部件可以通過數控加工達到嚴格的公差，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技術能夠建造完整的零件，但這種技術通常被用來修復或增加現有物體的材料。當與數控加工相結合時，它可以產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，擁有更快的構建速率。然而，帶來了較差的表面質量，可能需要額外的加工。通常用于PBF系統(tǒng)的支撐結構很少或從未用于DED，DED通常使用多軸轉臺來旋轉構建平臺以實現不同的特征。在不需要粉末床的情況下，DED系統(tǒng)可以在現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過CNC加工，以達到最終的零件質量要求（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，然后用數控機床加工成嚴格的公差，如上面的照片所示。
8. 金屬立體光刻技術
△用混合了金屬的樹脂材料制作的金屬打印件通常出現在微型3D打印中（來源：Incus)
金屬光刻技術，也稱為基于光刻技術的金屬制造（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量，大多用于（但不限于）微型3D打印，因此它具有極高的細節(jié)。
9. 冷噴涂
△來源：Impact Innovations
冷噴是一種制造技術，它以超音速噴射金屬粉末，在不熔化的情況下將其粘合，這幾乎不產生熱應力。自21世紀初以來，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，以及金屬部件的現場維修和修復，如石油和天然氣行業(yè)的軍事設備和機械。修復后的零件，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和微納選擇性激光燒結（μSLS），這是一種小規(guī)模的激光粉末床熔融技術，上面也提到過。也被稱為微型激光燒結或微型激光熔化，這種工業(yè)技術使用一個粉末床和一個精細激光。
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行3D打印。除了零件的復雜性和速度之外，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。當使用昂貴的材料（如鈦）進行打印時，這一點極為重要。
一些3D打印方法可以使用已經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 (來源: BeamIT)
為了從3D打印給金屬零件和產品帶來的所有優(yōu)勢中獲益，你不一定需要投資自己的3D打印機。全球各地有越來越多的3D打印服務提供商，他們不僅可以用你選擇的金屬打印你的產品或原型，而且它們甚至可以為你的零件提供最佳方法、材料和設計的建議。
編譯自：all3dp
