10种最常用的金属3D打印技术路线，该如何选择？

时间：2022-03-29 15:21 来源：南极熊作者：admin 阅读：次

导读：几年前，用金属进行3D打印还只是用于工业。现在这一切都变了，金属3D打印可以在桌面FDM 3D打印机和更多的专业机器上实现，不但可以生产高质量的零件，而且价格也更容易接受。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。

△Raise3D推出的Forge1 3D打印机可以打印金属零件（来源：Raise3D）

金属3D打印零件案例

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。

让我们来看一些金属零件的例子。

△像这种用金属丝3D打印的零件，往往需要进行后期加工（来源：BCN3D）

上面这个小的钢制喷嘴是一个使用金属丝打印的零件。像这样的零件完全适合使用金属长丝，能够在车间或办公室快速地现场3D打印，使用经济实惠的FDM 3D打印机，然后交给第三方进行后处理。总的来说，这个过程可能只需要几天时间。使用其他的制造方法，来制造这个零件将会成本昂贵并且缓慢。

△Zenith Tecnica公司使用GE的电子束熔化技术3D打印的钛合金骨科植入物（来源：Zenith Tecnica公司）

这些髋关节和膝关节植入物样本（上图）是使用电子束熔化（EBM）打印的。它们结构错综复杂，使用昂贵的钛制成，并按照极高的材料质量和公差制造，以满足医疗植入物标准。EBM 3D打印机的真空环境确保了清洁和可控的打印条件，而高功率的电子束使打印机能够在每次构建中生产多个零件，以实现高生产率。

△使用WAAM 3D打印技术打印的起重机吊钩（来源：Huisman）

上面这个巨大的起重机吊钩是用电弧增材制造（WAAM）打印的，然后进行后期加工。像这样一个巨大和沉重的零件非常适合使用WAAM，因为这项技术比任何传统的金属制造方法（如锻造或铸造）更快，而且同样坚固。此外，这种零件可以在离需求点较近的工厂中生产，甚至可以在现场生产，例如在石油钻井平台上。

△Cobra Golf在2020年推出了3D打印的King Supersport-35高尔夫球推杆，它是使用惠普Multi Jet金属粘合剂喷射技术3D打印的（来源：Cobra Golf）

Cobra Golf上面的这些高尔夫球杆是使用惠普的金属粘合剂喷射技术3D打印的。这种独特的形状是其他任何制造技术都无法做到的。由于需要成千上万个相同的零件，制造商选择了粘合剂喷射技术，因为它的速度快、产量高。同时，这项技术还能打印出色的表面光洁度。Cobra Golf将球杆制造转交给一家美国本地的增材制造商，无需从亚洲的制造中心制造和发货。

3D打印金属的10种最佳方法

技术类型	成型尺寸	成本	最小层高	零件性能	打印速度
FDM/Extrusion 熔融挤出成型（线材）	小到中	$	0.05 mm	中到高	最高500 mm/s
SLM/PBF 选择性激光熔融或激光粉末床	小到中	$$$	0.02 mm	高	最高25 cm3/h
EBM/PBF 电子束熔融或者电子束粉末床	小到中	$$$$	0.07 mm	高	55 – 80 cm3/h
Metal Binder Jetting 金属粘结剂喷射	小到中	$$$	0.035 mm	高	1,500 cm3/h
WAAM 电弧送丝	大到非常大	$$	1 mm	高	2.2 kg/h
DED Laser 激光直接能量沉积	中到大	$$$$	0.2 mm	高	500 cm3/h
DED eBeam 电子束直接能量沉积	中到大	$$$	0.2 mm	高	2,000 cm3/h
Metal Lithography 金属立体光刻	很小到中	$$$$	0.01 mm	高	最高300层/小时
Cold Spray 冷喷涂	中到大	$$	0.38 mm	高	100 g/m
Micro 3D Printing 微纳3D打印	很小	$$$$	0.005 mm	高	–

△来自通快的选择性激光熔化部件（来源：通快）

该如何选择适合自己的金属3D打印技术？

正如你在上图中所看到的，并非所有的金属3D打印技术特征都是以相同的方式测量的，特别是在涉及到构建速度时。一些技术通过沉积材料的重量来记录构建速度，而其他技术则以材料的成型体积来衡量。这些速度也受到被打印部件的形状的影响。此外，一项技术中的每台3D打印机都不可能达到相同的速度。

层高，通常是打印精细细节能力的一个参数，但它受所使用的材料、零件的形状和打印速度的影响。在投资任何一项技术之前，请向多家3D打印机制造商索取样品部件（相同的部件）。样品零件应该附带一份报告，说明打印该零件需要多长时间，打印机可以一次打印多少个该尺寸和形状的零件，每个零件的价格，以及材料消耗。

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（尽管在工业领域有更多）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，因此成本较低，也可以是特别制作的颗粒。

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。

(责任编辑：admin)

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