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盘点10种最常用的金属3D打印技术路线
时间: 2022-08-22

随着科技发展及推广应用的需求,利用快速成型制造金属功能零件成为快速成型主要的发展方向。本文让我们来看看3D打印金属零件的所有技术,以及你该选择用那种技术打印金属零件。


目前,市面上大约有10种方法可以3D打印金属零件。这些方法根据所使用的原材料形态以及能量源进行粗略的划分,比如材料是金属丝、金属粉末还是金属线材。有些甚至还使用金属树脂、金属棒和金属颗粒作为原材料,每种方法都能制造出具有不同属性的部件。


选择使用哪种金属技术需要考虑零件细节、形状、尺寸、强度、金属类型、成本、打印速度和数量等方面的因素。如果从这些方面进行分析,每项技术都有优点和缺点,不幸的是,没有一种方法能快速、廉价、完美地3D打印出超强的零件,所以要根据应用需求来选择到底使用哪种技术。


10种金属3D打印技术简介


1. FDM与挤出成型



△在FDM 3D打印机上使用巴斯夫Forward AM的不锈钢长丝3D打印的金属零件(来源:Ultimaker、IGO3D)


有几种3D打印技术属于挤出技术。一种是我们熟悉的熔融沉积成型(FDM),它使用由塑料基底制成的长丝,其中均匀地注入了金属颗粒。打印金属部件的金属长丝必须含有高比例的金属粉末(约80%),并需要经过脱脂、烧结等后处理,以去除塑料成分得到金属部件。市场上的一些桌面FDM 3D打印机可以用金属丝打印,这些金属丝有不锈钢(316L,17-4 PH)、铜和钛。


另一项技术使用的是具有更高浓度的金属长丝。以至于它实际上是一根坚固的金属棒,但仍然可以被加热和挤出。这些材料通常是某一特定3D打印机所独有的,如Markforged或Desktop Metal,其成本比普通FDM高,但比其他金属3D打印方法低。


第三种金属挤出方法(在工业领域有更多)是使用金属颗粒进行挤出,金属颗粒可以是与注射成型相同的材料,因此材料体系较为丰富且全面,性价比很高,当然也可以是特别制作的颗粒。如国内升华三维,其可基于注射成型的材料进行二次开发及适配,极大提高了材料的灵活性、优化材料性能,进而使烧结制品致密性提高,强度增加、韧性加强,延展性、导电导热性得到改善、磁性能提高。


盘点10种最常用的金属3D打印技术路线


△基于金属粉末挤出工艺3D打印出金属零件(来源:升华三维)


2. 使用激光的金属粉末床熔融——选择性激光熔化(SLM)



△金属打印机制造商SLM Solutions的粉末床熔融设备,使用激光来融化金属粉末(来源:SLM Solutions)


使用高功率激光器选择性地熔化金属粉末的3D打印机,这种技术的设备占了金属3D打印机的大多数,通常被称为选择性激光熔化(SLM)或粉末床熔化(PBF)。打印机可以使用 "纯 "金属材料,也可以使用合金材料。


SLM 3D打印机使用粉末状金属原材料,在投入打印仓之后,由刮刀或滚筒将金属粉末平铺在基板或构建平台上形成一个薄层。接下来,一个高功率的激光器按照切片的图案来选择性地熔化粉末材料。然后,构建板下降到一个小层的高度,涂布机在表面上铺上另一层新的粉末。打印机不断重复这些步骤,直到得到成品部件。


与EBM技术相比,SLM技术可以打印出更好的初始表面光洁度和更高的精度。


3. 用电子束进行金属粉末床融合——电子束熔融(EBM)



△使用电子束的粉末床熔融技术因打印速度快和高产量而受到推崇,这些外科植入物是使用GE Additive公司的Arcam 3D打印机打印的(来源:GE Additive公司)


电子束熔化是一种使用电子束作为能量来源的3D打印技术,主要用于导电金属。所有EBM 3D打印机都由一个能够发射电子束的能量源、一个粉末容器、一个送粉器、一个粉末再涂层器和一个加热的构建平台组成。需要注意的是,打印过程必须在真空中进行。这是因为电子束的电子会与气体分子发生碰撞,这将 "杀死 "电子束。


由于电子束能量较高,EBM可以比SLM更快,产品部件的残余应力也比SLM低。


4. 金属粘结剂喷射



△使用3D打印机制造商ExOne(被Desktop Metal收购)的金属粘结剂喷射技术制造的金属零件(来源:ExOne)


金属粘结剂喷射可以打印出具有复杂设计的零件,而不是实心的,由此产生的零件在具有同样强度的同时,也大大减轻了重量。粘结剂喷射的多孔性特征也可用于实现医疗应用中更轻的终端零件,如植入物。与其他增材制造工艺一样,粘结剂喷射可以生产具有内部通道和结构的复杂部件,消除了焊接的需要,减少了部件的数量和重量。为粘结剂喷射重新设计你的金属部件,可以大大减少使用和浪费的材料。


总的来说,金属粘结剂喷射零件的材料特性与用金属注射成型生产的金属零件相当,后者是大规模生产金属零件的最广泛使用的制造方法之一。另外,粘结剂喷射部件表现出更高的表面光滑度,特别是在内部通道。


5. 电弧送丝增材制造(WAAM)


△来自MX3D的WAAM钢件(来源:MX3D)


电弧送丝增材制造以金属线为材料,以电弧为能量来源,与焊接非常相似。电弧熔化金属丝,然后被机械臂一层一层地沉积到一个成型平台上。与焊接一样,惰性气体被用来防止氧化并改善或控制金属的特性。


这个过程逐渐将材料制造成一个完整的三维物体或修复现有物体。没有支撑结构需要移除,如果有必要,成品部件可以通过数控加工达到严格的公差,或者进行表面抛光。通常情况下,打印出来的部件需要热处理,以释放残余应力。


6. 基于激光的定向能量沉积(DED)


△使用激光定向能沉积技术在DMG Mori的机器上3D打印金属零件(来源:DMG Mori)


使用激光定向能量沉积技术来熔化金属材料,同时由喷嘴沉积。金属材料可以是粉末或金属丝形式。尽管用DED技术能够建造完整的零件,但这种技术通常被用来修复或增加现有物体的材料。当与数控加工相结合时,它可以产生一个精确的成品部件。


DED系统可能不同于PBF系统,因为使用的粉末通常尺寸较大,需要更高的能量密度。与PBF系统相比,拥有更快的构建速率。然而,带来了较差的表面质量,可能需要额外的加工。通常用于PBF系统的支撑结构很少或从未用于DED,DED通常使用多轴转台来旋转构建平台以实现不同的特征。在不需要粉末床的情况下,DED系统可以在现有零件上进行维修或打印。


7. 基于电子束定向能量沉积(DED)



△xBeam DED打印机电子束熔化金属线3D打印的零件,这些打印出来的零件有一半经过CNC加工,以达到最终的零件质量要求(来源:xBeam)



电子束定向能量沉积使用电子束熔化金属线(而不是粉末),同时由喷嘴沉积。与上述WAAM非常相似,电子束DED因速度而受到推崇。与WAAM不同,这些打印机需要一个真空室。通常情况下,零件被打印成接近净值的形状,然后用数控机床加工成严格的公差,如上面的照片所示。


8. 金属立体光刻技术



△用混合了金属的树脂材料制作的金属打印件通常出现在微型3D打印中(来源:Incus)


金属光刻技术,也称为基于光刻技术的金属制造(LMM),使用光敏树脂和金属粉末的混合物浆料作为原料。这种对光敏感的浆料在光的作用下被逐层选择性地聚合起来。金属立体光刻拥有出色的表面质量,大多用于(但不限于)微型3D打印,因此它具有极高的细节。


9. 冷喷涂



△来源:Impact Innovations


冷喷是一种制造技术,它以超音速喷射金属粉末,在不熔化的情况下将其粘合,这几乎不产生热应力。自21世纪初以来,它被用作一种涂层工艺,但最近几家公司已将冷喷技术用于增材制造,因为它能以比典型的金属3D打印机高约50至100倍的速度将金属层精确到几厘米。


在增材制造方面,冷喷正在被用于快速制造金属替代部件,以及金属部件的现场维修和修复,如石油和天然气行业的军事设备和机械。修复后的零件,在某些情况下,可以比新的更好。


10. 微纳金属3D打印



△来自3D MicroPrint的微纳金属3D打印(来源:3D MicroPrint)


有两种方法可以制造微型金属3D打印部件:上面提到的金属立体光刻技术和微纳选择性激光烧结(μSLS),这是一种小规模的激光粉末床熔融技术,上面也提到过。也被称为微型激光烧结或微型激光熔化,这种工业技术使用一个粉末床和一个精细激光。

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