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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 938天前

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導讀：幾年前，用金屬進行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打印機和更多的專業(yè)機器上實現(xiàn)，不但可以生產(chǎn)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(jù)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(shù)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(jù)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(xiàn)場3D打印，使用經(jīng)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(chǎn)多個零件，以實現(xiàn)高生產(chǎn)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(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(chǎn)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(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(jīng)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?？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(shù)，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(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(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)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(chǎn)具有內(nèi)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(shù)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(chǎn)的金屬零件相當，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(xiàn)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(shù)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(xiàn)有物體的材料。當與數(shù)控加工相結合時，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(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)有零件上進行維修或打印。

7. 基于電子束定向能量沉積(DED)