3D打印金属零件的所有技术

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FDM3D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。 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。 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。
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。
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	$$$	0.02 mm	高	最高25 cm3/h
EBM/PBF电子束熔融或者电子束粉末床	小到中	$$$$	0.07 mm	高	55 – 80 cm3/h
Metal BinderJetting金属粘结剂喷射	小到中	$$$	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
MetalLithography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 3DPrinting微纳3D打印	很小	$$$$	0.005 mm	高	–

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

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)

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）
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

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）

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)
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

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

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

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。

3D打印中的金属材料

几乎所有的金属都可以进行3D打印。除了零件的复杂性和速度之外，3D打印金属的主要优势之一是节省原材料和几乎没有浪费。当使用昂贵的材料（如钛）进行打印时，这一点极为重要。

一些3D打印方法可以使用已经用于注射成型的的材料，如一些粉末、线材和颗粒，而其他材料则是为3D打印而独特配制的。如果你知道你的零件需要用什么材料打印，请查看下面的指南，了解你可以打印钛、铝和钢的所有方法。

技术	材料选择
FDM/Extrusion熔融挤出成型（金属线材）	不锈钢（316L，17-4 PH），铜，钛，青铜，钨，铝
SLM/PBF选择性激光熔融或激光粉末床	铝、铜、镍、不锈钢和工具钢、钛、贵金属
EBM/PBF电子束熔融或者电子束粉末床	铝、铜、镍、不锈钢和工具钢、钛、贵金属
Metal BinderJetting金属粘结剂喷射	马氏体时效钢、不锈钢和工具钢、镍、钴、钛、铝、铜、青铜
WAAM电弧送丝	不锈钢和工具钢、钛、镍基合金
DED Laser激光直接能量沉积	钢、铸铁、镍合金、钛合金、铝、铜等。
DED eBeam电子束直接能量沉积	不锈钢和工具钢、镍合金、钛合金
MetalLithography金属立体光刻	不锈钢、钛、铜、镍、黄铜
Cold Spray冷喷涂	钛，铜，不锈钢和工具钢，铝，镍，铌，钽
Micro 3DPrinting微纳3D打印	钢、铜、贵金属

审核编辑 ：李倩