與機(jī)械加工和其他傳統(tǒng)金屬加工工藝相比，增材制造（AM）是一個新興領(lǐng)域。這個行業(yè)大多數(shù)專家都可以追溯到 1987 年，當(dāng)時 3D Systems 的Chuck Hull 推出了第一臺商用立體光刻機(jī) SLA-1。此后，Stratasys 和 EOS 相繼投身該技術(shù)領(lǐng)域——Stratasys 聯(lián)合創(chuàng)始人 Scott Crump 和他的妻子 Lisa 開發(fā)了熔融沉積建模（FDM）；EOS 創(chuàng)始人 Hans Langer 交付了 STEREOS400，這是 SLA-1 的直接競爭對手?？焖俪尚托袠I(yè)就這樣誕生了。
但是，這些早期系統(tǒng)有一個問題：它們只能打印塑料。如果您需要金屬零件，則必須進(jìn)行機(jī)加工，沖壓，成型或鑄造。當(dāng)然，EOS 在 1994 年確實開發(fā)了被許多人認(rèn)為是第一臺 3D 金屬打印機(jī)的產(chǎn)品——EOSINT M250，但該機(jī)器使用了金屬粉末（例如青銅和鎳）的混合物，其中一種提供了形成結(jié)合矩陣所需的低熔點。這種金屬 3D 打印技術(shù)被稱為直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）。
不再只是燒結(jié)
直到 2004 年左右，第一個完全致密的金屬 3D 打印零件才問世。隨后，EOS 推出了 EOSINT M270，這是一種粉末床系統(tǒng)，配備了 200W 的二極管泵浦光纖激光器，其功率足以實現(xiàn)熔化單個金屬顆粒。幸運的是，該公司無需更改其商標(biāo)名稱 DMLS 中的 S，現(xiàn)在代表固化或“schmelzen”（德語為“熔化”），盡管業(yè)內(nèi)大多數(shù)人仍將其稱為燒結(jié)。
從那時起，金屬 3D 打印確實發(fā)生了很大的變化。盡管在過去的三十年中，幾乎所有 3D 打印機(jī)都使用的“一次一層，從下而上的工作方法”并沒有改變，但 DMLS 及其表親電子束熔化（EBM）變得更加精確且功能強(qiáng)大，以至于這些機(jī)器制造的零件現(xiàn)在通常用于飛行器關(guān)鍵部件以及人體。同時，有幾種新的金屬增材制造技術(shù)橫空出世，其中包括金屬粘合劑噴射（BJ），采用金屬粉末或金屬絲原料的直接能量沉積（DED），以及 FDM，結(jié)合粉末擠出（BPE）。
這些發(fā)展帶來了金屬增材制造所需的知識基礎(chǔ)，主要是圍繞高質(zhì)量金屬粉末加工的整個產(chǎn)業(yè)鏈?！霸?1994 年，沒人在制造粉末。”EOS 北美應(yīng)用開發(fā)和研發(fā)經(jīng)理 AnkitSaharan 說，“我們被迫使用基本上是其他制造工藝中的廢料，并開發(fā)可實現(xiàn)目標(biāo)的混合物。到 2004 年，我們已經(jīng)擁有 9 種金屬，如今，幾乎所有的主要合金都可以使用，以及許多更新的，通常是專有的材料。”
除了全新的金屬粉末，EOS 和其他公司還努力改善其生產(chǎn)工藝。激光功率增加了 5 倍甚至更多，有些生產(chǎn)系統(tǒng)配備了雙甚至四激光。真空或惰性氣體（如氬氣）與密閉的生成腔室的結(jié)合使用，加速了零件打印。Recoater 技術(shù)、激光控制和在線計量系統(tǒng)的不斷發(fā)展使得金屬 3D 打印有望成為一種主流工藝，這種工藝能夠生產(chǎn)制造歷史上從未有過的零件。
由于經(jīng)常面對的非常規(guī)的幾何形狀，3D 打印產(chǎn)品設(shè)計師不得不擱置使用數(shù)十年的可制造性（DFM）原理設(shè)計，轉(zhuǎn)而采用增材制造（DfAM）設(shè)計。在這里我們需要指出，設(shè)計、過程控制、監(jiān)視和模擬軟件，這些工具與高品質(zhì)粉末和原料同樣重要。
3D Systems Inc. 金屬業(yè)務(wù)部門產(chǎn)品管理副總裁 MarkCook 對這一說法表示贊同。他說，該公司的 3DXpert 將這些功能到一個參數(shù)包中，從而為 3D 打印操作員提供了一個基于 CAD 的平臺，涵蓋了從初始文件導(dǎo)入到后期處理的整個過程?！懊總€公司都有專用的機(jī)器軟件來進(jìn)行構(gòu)建準(zhǔn)備和管理過程參數(shù)，但是我們將 3DXpert 開發(fā)為整個金屬 3D 打印工作流程的單一解決方案?！?/span>
3D Systems 一直是聚合物基增材制造的先驅(qū)，它在2001 年收購了發(fā)明家 Carl Deckard 的公司 DTM 后，在 SLS（選擇性激光燒結(jié)）的發(fā)展中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。但是，直到 2013 年，它才進(jìn)入金屬增材制造領(lǐng)域。那時，它將 DMP（直接金屬打印）添加到其產(chǎn)品組合中，與法國里奧的 Phenix Systems 合作并獲得了控股權(quán)，一年后，又收購了總部位于比利時魯汶的 LayerWise。
從那時起，3D Systems 一直在通過引入無氧構(gòu)建環(huán)境來改進(jìn)這兩種打印技術(shù)。在 Cook 看來，“通過將整個腔室置于真空中，我們可以消除粉末中的氧氣和氮氣，同時減少對其他污染物的吸收?！睂τ谏a(chǎn)飛機(jī)和醫(yī)療部件的客戶來說，這是一個關(guān)鍵特征，特別是那些對氧氣具有活性的鈦制部件。“我們將這種環(huán)境控制級別擴(kuò)展到了可移動打印模塊。這不僅確保了一致的粉末質(zhì)量，從而確保了零件的一致性，還簡化了物料處理步驟并減少了機(jī)器停機(jī)時間。我們認(rèn)為這些屬性對于生產(chǎn)金屬增材制造至關(guān)重要?！?/span>
關(guān)注后處理
對于在打印后必須拆除的臨時支撐結(jié)構(gòu)，有解決方案嗎？ Zach Murphree 認(rèn)為我們已經(jīng)接近了。VELO3D Inc. 的技術(shù)合作副總裁介紹說，該公司的 Sapphire 打印機(jī)正在通過減少甚至在某些情況下取消這些支撐結(jié)構(gòu)來打破金屬增材制造規(guī)范。他說：“我們繼續(xù)推動 LPBF（激光粉末床熔合）工藝的有限極限，并且能夠成打印刷零度角（即水平面）零件，而不需要任何支撐結(jié)構(gòu)?！?/span>
Murphree 解釋說，無支撐打印具有多個優(yōu)點。后處理成本降低了——這通常占總單價的很大一部分。同時，也不需要進(jìn)行與支撐結(jié)構(gòu)相關(guān)的重新設(shè)計，從而使零件從傳統(tǒng)制造過渡到增材制造的過程變得更加容易。最重要的是，設(shè)計人員可以通過無支撐的打印方式獲得更大的自由度，從而使一些以前無法制造的結(jié)構(gòu)，例如內(nèi)部流體通道和熱交換器的制造成為可能。
盡管取得了這些成功，Murphree 仍認(rèn)為 3D 打印行業(yè)在完全成為主流之前還有一段路要走?！拔艺J(rèn)為 3D 打印的質(zhì)量保證方面仍不完善。缺乏有關(guān)零件質(zhì)量的最終數(shù)據(jù)，這是所有最終用戶都面臨的普遍問題。因此，客戶往往對從增材制造系統(tǒng)中提取的零件缺乏信心，這是需要我們通過新的‘質(zhì)量保證和控制系統(tǒng)’解決的問題，該系統(tǒng)將機(jī)器校準(zhǔn)和計量學(xué)結(jié)合在一起，以提供全面的制造報告，從而讓終端用戶詳細(xì)了解構(gòu)建過程中發(fā)生的情況。”
“還有 3D 打印零件的成本，通常比用常規(guī)制造工藝生產(chǎn)的零件要高，因此，該技術(shù)的使用在一定程度上限制了高價值的航空航天和醫(yī)療零件的使用，”Murphree 繼續(xù)說道，“為降低成本，您將看到具有更大構(gòu)建平臺和多個激光器的系統(tǒng)，以及大批量制造應(yīng)用所需的質(zhì)量改進(jìn)?！?/span>
這款由 Inconel 718 打印的 3D 熱交換器展示了 VELO3D 在打印內(nèi)部冷卻通道和精細(xì)功能時的無支撐功能
一項新的技術(shù)
到目前為止，我們僅討論了金屬粉末床融合（PBF）打印機(jī)，該打印機(jī)使用激光或在某些情況下使用電子束將微小的金屬結(jié)合成完全致密的產(chǎn)品。但是，金屬 3D 打印板塊出現(xiàn)了一些新產(chǎn)品，這些系統(tǒng)有望使構(gòu)建速度比 PBF 打印機(jī)快 100 倍，而啟動成本卻低得多。而且，這些系統(tǒng)中的大多數(shù)是針對辦公或輕工業(yè)用途的，可直接放置在辦公桌旁邊，供產(chǎn)品設(shè)計師和工程師使用。
其中一種系統(tǒng)來自 Markforged 公司，該公司的材料主管 Joe Roy-Mayhew 介紹了該公司如何利用其在復(fù)合材料3D 打印方面的專業(yè)知識來進(jìn)入金屬增材制造領(lǐng)域，他說：“我們在 2019 年 2 月推出了第一款金屬 3D 打印機(jī) metalX，其初衷是采用安全且經(jīng)濟(jì)高效的生產(chǎn)方法使金屬 3D 打印大眾化。”
metal X 打印機(jī)使用粘合在塑料基質(zhì)中的金屬粉末作為原料（許多人稱為粘合粉末擠出 [BPE]）。在最初的產(chǎn)品發(fā)布之時，該材料僅限于 17-4 PH 不銹鋼，盡管該公司此后已將其產(chǎn)品范圍擴(kuò)展到包括 Inconel 625 和幾種等級的工具鋼。該系統(tǒng)通過以類似于 FDM 印刷的方式擠壓金屬原料來工作，但是留下了“綠色”部分，然后將其清洗以去除大部分粘合劑材料?！白厣钡牧慵灰频綗Y(jié)爐中，燒掉剩余的粘合劑，并將工件熔化成完全致密的金屬零件。
Markforged 將此過程稱為原子擴(kuò)散增材制造（ADAM）。Roy-Mayhew 說：“使用激光燒結(jié)時，通常會有一個金屬粉末床，從該床出來的零件取決于金屬粉末的性能。金屬粉還具有處理方面的考慮，例如廢物和回收利用，以及支撐結(jié)構(gòu)和后處理要求。ADAM 則沒有任何這方面的顧慮。這是一個易于使用的系統(tǒng)，可提供一致、可靠的零件，并且可以在幾乎任何地方部署?！?/span>
Markforged Print Farm 是一種經(jīng)濟(jì)、可擴(kuò)展的解決方案，可滿足碳纖維和金屬 3D 打印需求
提高產(chǎn)量
PBF 的另一種替代方法是粘合劑噴射（BJ），或更具體地說是 HP metal Jet。HP Inc. 負(fù)責(zé)產(chǎn)品管理、戰(zhàn)略、業(yè)務(wù)開發(fā)和應(yīng)用工程的 Uday Yadati 解釋說，該系統(tǒng)的工作方式類似于傳統(tǒng)的紙張打印機(jī)，因為它使用廣域處理來構(gòu)建整個打印層。他表示：“HP metal Jet 可以將每秒最多 6.3 億納克大小的液體粘合劑滴到金屬粉末床上，這有助于快速而精確地逐層構(gòu)建零件。其結(jié)果是制造速度比市場上其他金屬增材制造技術(shù)快 50 倍，但粘合劑噴嘴的價格也更低，可靠性更高?！?/span>
與 Markforged 的 ADAM 工藝一樣，粘合劑噴射零件會經(jīng)歷各種輔助過程，包括脫皮以除去松散的粉末，然后在熔爐中燒結(jié)。還可能需要機(jī)加工以實現(xiàn)公差以及拋光以滿足表面光潔度的要求。HP metal Jet 目前僅限于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的不銹鋼粉末，盡管該公司正在與材料合作伙伴合作以擴(kuò)大其產(chǎn)品組合。但是，其產(chǎn)量受到限制，Yadati 表示，該技術(shù)的目標(biāo)是大批量生產(chǎn)生產(chǎn)級金屬零件，尤其是汽車和消費品領(lǐng)域中使用的零件。
“我們的技術(shù)為汽車制造商提供了巨大的機(jī)會，因為他們正轉(zhuǎn)向電動汽車（EV）而不是內(nèi)燃機(jī)。例如，大眾汽車通過 HP 和 GKN Powder metallurgy 生產(chǎn)的 10,000 多個高質(zhì)量零件來支持其有遠(yuǎn)見的 ID.3 電動汽車的發(fā)布，成功完成了其戰(zhàn)略路線圖的第一步。 未來，大眾汽車計劃將 metalJet 打印的結(jié)構(gòu)部件盡快集成到下一代車輛中，并不斷增加部件的尺寸和精度，其目標(biāo)是每年生產(chǎn)大約每年 50,000 至100,000 個足球大小尺寸的零部件。
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