金屬3D打印被認(rèn)為是所有3D打印的頂點(diǎn)。談到強(qiáng)度和耐用性,沒有什么能比得上金屬。最早的金屬3D打印專利是DMLS(直接金屬激光燒結(jié)),由德國EOS在1990年代獲得。從那時(shí)起,金屬3D打印逐漸發(fā)展出了許多種類的打印工藝。現(xiàn)在,每臺(tái)金屬3D打印機(jī)通常都會(huì)使用以下四類工藝中的一種:粉末床融合、粘合劑噴射、直接能量沉積和材料擠壓。
△金屬3D打印
金屬粉末床熔化(metal Powder Bed Fusion)
常用工藝:DMLS(直接金屬激光燒結(jié))、SLM(選擇性激光熔化)和EBM(電子束熔化)。
描述:使用PBF熔化技術(shù)生產(chǎn)的金屬零件可以減少殘余應(yīng)力和內(nèi)部缺陷,成為航空航天和汽車工業(yè)中苛刻應(yīng)用的理想選擇。
直接金屬激光燒結(jié)(DMLS):可用于幾乎任何金屬合金構(gòu)建物體。直接金屬激光燒結(jié)在要打印的表面上散布一層非常薄的金屬粉末。激光緩慢而穩(wěn)定地穿過表面以燒結(jié)這種粉末,金屬內(nèi)部顆粒融合在一起,即使沒有被加熱到完全熔化狀態(tài)。然后施加并燒結(jié)額外的粉末層,從而一次“打印”物體的一個(gè)橫截面。打印完成后,物體會(huì)慢慢冷卻,多余的粉末可以從構(gòu)建室中回收并循環(huán)使用。DMLS的主要優(yōu)點(diǎn)是它生產(chǎn)的物體沒有殘留應(yīng)力和內(nèi)部缺陷,這對(duì)于高應(yīng)力下的金屬部件(例如航空航天或汽車零件)極為重要,而主要缺點(diǎn)是非常昂貴。
選擇性激光熔化(SLM):使用高功率激光將每一層金屬粉末完全熔化,而不僅僅是燒結(jié),這樣產(chǎn)生的打印物體非常致密和堅(jiān)固。目前,這項(xiàng)工藝只能用于某些金屬,例如不銹鋼、工具鋼、鈦、鈷鉻合金和鋁。SLM制造過程中出現(xiàn)的高溫梯度也會(huì)導(dǎo)致最終產(chǎn)品內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力和錯(cuò)位,從而損害物理性能。
電子束熔化(EBM):與選擇性激光熔化非常相似,能夠生成致密的金屬結(jié)構(gòu)。這兩種技術(shù)的區(qū)別在于EBM使用電子束而不是激光來熔化金屬粉末。目前,電子束熔化只能用于有限數(shù)量的金屬。盡管也可以使用鈷鉻合金,但鈦合金仍是這種工藝的主要原材料。這項(xiàng)技術(shù)主要用于制造航空航天工業(yè)的零件。
技術(shù)優(yōu)點(diǎn):可以高精度制造幾乎任何幾何形狀。使用金屬范圍廣泛,包括最輕的鈦合金和最堅(jiān)固的鎳高溫合金,這些都是傳統(tǒng)制造技術(shù)難以加工的。機(jī)械性能可以比肩鍛造金屬,能夠像傳統(tǒng)制造金屬零件一樣進(jìn)行機(jī)械加工、涂層和處理。
技術(shù)缺點(diǎn):材料、機(jī)械和操作成本高。零件必須通過支撐結(jié)構(gòu)(以防止翹曲)連接到構(gòu)建板上,這會(huì)產(chǎn)生廢料并需要手動(dòng)后處理移除。構(gòu)建尺寸有限,并且金屬粉末處理具有危險(xiǎn)性,需要嚴(yán)格的過程控制。
△PBF粉末床熔化
金屬粘合劑噴射(metal Binder Jetting)
常用工藝:MJF(多噴射熔合)、NPJ(納米粒子噴射)
描述:這項(xiàng)技術(shù)使用噴墨將一種粘合劑選擇性滴在平坦的粉末床上。接收液滴的區(qū)域?qū)⒈还袒?,其余粉末保持松散。逐層進(jìn)行以上步驟,直到生成整個(gè)對(duì)象。使用這項(xiàng)工藝可以處理金屬、沙子、陶瓷等材料。由于金屬粘合劑噴射機(jī)在室溫下運(yùn)行,不會(huì)發(fā)生翹曲且不需要支撐。因此,粘合劑噴射機(jī)可以比粉末床融合機(jī)大得多,并且可以堆疊物體,充分利用整個(gè)構(gòu)建室,是小批量生產(chǎn)和按需制造的流行選擇。
技術(shù)優(yōu)點(diǎn):可以大體積打印,零件不需要連接到構(gòu)建板上,因此可以嵌套以利用所有可用的構(gòu)建體積。對(duì)幾何體限制較少,通常不需要支撐。不會(huì)發(fā)生翹曲,因此可以制作更大的零件。打印速度非???,比粉末床熔融金屬打印成本更低。
技術(shù)缺點(diǎn):部件在打印后必須經(jīng)過耗時(shí)的脫脂和爐燒結(jié)過程,機(jī)器和材料成本高??紫堵矢哂诜勰┐踩酆?,因此機(jī)械性能不那么好,且可選材料較少。
△粘合劑噴射3D打印機(jī)
直接能量沉積(Direct Energy Deposition)
常用工藝:DED(直接金屬沉積)、WAAM(電弧增材制造)、LMD(激光材料沉積)
描述:這種方法通過擠壓金屬,無論是金屬粉末還是金屬絲,然后立即受到高能量的撞擊(可以通過等離子弧、激光或電子束實(shí)現(xiàn)熔化)。能量熔化金屬,熔池立即下降到3D空間,通過機(jī)械臂進(jìn)行位置操作。它與焊接非常相似,因此主要應(yīng)用之一是修復(fù)現(xiàn)有金屬零件并增加零件的功能性。
技術(shù)優(yōu)點(diǎn):金屬絲是最實(shí)惠的金屬3D打印材料形式,有些機(jī)器甚至可以使用兩種不同的金屬粉末來制造合金和材料梯度。5軸和6軸運(yùn)動(dòng)可以在不使用支撐材料的情況下生產(chǎn)模型。可以修復(fù)損壞的金屬部件并添加新組件。構(gòu)建體積大,材料使用高效,零件密度高,機(jī)械性能好,打印速度快。
技術(shù)缺點(diǎn):零件表面質(zhì)量較差,通常需要機(jī)加工和精加工,小細(xì)節(jié)很難或不可能實(shí)現(xiàn)。機(jī)械和操作成本高。
△激光金屬沉積(LMD)
金屬材料擠壓(metal Material Extrusion)
常用工藝:FDM(熔融沉積建模)/FFF(熔絲制造)
描述:這項(xiàng)技術(shù)專為使廉價(jià)金屬3D打印而創(chuàng)建,可用于中小型企業(yè)。設(shè)計(jì)工作室、機(jī)械車間和小型制造商使用金屬材料擠壓機(jī)來迭代設(shè)計(jì)、創(chuàng)建夾具和固定裝置,并完成小批量生產(chǎn)。領(lǐng)域的最新發(fā)展是金屬絲,可在大多數(shù)桌面FDM3D打印機(jī)中使用,使幾乎每個(gè)人都可以使用金屬3D打印。金屬材料擠壓的工作原理:
聚合物細(xì)絲或浸有金屬小顆粒的線材按照設(shè)計(jì)形狀逐層3D打印。
清洗3D打印部件,去除一些粘合劑。
將零件放入燒結(jié)爐中,金屬顆粒熔化成固體金屬。
技術(shù)優(yōu)點(diǎn):實(shí)惠、操作簡(jiǎn)單安全。
技術(shù)缺點(diǎn):零件必須經(jīng)過與粘合劑噴射零件相同的脫脂和燒結(jié)過程。需要對(duì)幾何形狀和支撐進(jìn)行更多限制以防止翹曲,且零件具有高孔隙率,無法達(dá)到鍛造金屬相同的機(jī)械性能。零件不像使用PBF或DED那樣致密,而且爐內(nèi)收縮不太準(zhǔn)確。
△Markforged metal X 3D打印機(jī)的樣品零件[圖片來源:Markforged]
其他金屬3D打印工藝
焦耳打印(Joule Printing):Digital Alloys的焦耳打印看起來很像DED,但金屬絲是利用電流熔化,而不是用電弧或光束加熱。這使得打印速度更快,目前已經(jīng)證明每小時(shí)可打印多達(dá)2公斤的鈦。
液態(tài)金屬增材制造(Liquid metal AdditiveManufacturing):Vader Systems 創(chuàng)建了液態(tài)金屬增材制造技術(shù),將1200°C的液態(tài)金屬液滴以類似于噴墨打印機(jī)的方式沉積。
電化學(xué)沉積(Electrochemical Deposition):Exaddon的CERES納米級(jí)金屬3D打印機(jī),可以使用電化學(xué)沉積制造比人類頭發(fā)寬度還小的金屬物體。
DLP金屬打?。―LP metal printing):ADMATEC和Prodways提供金屬DLP打印。類似于金屬材料擠出,金屬粉末與光聚合物樹脂混合,3D打印部件必須經(jīng)過相同的脫脂和燒結(jié)過程,就像金屬材料擠壓方法一樣。
冷噴涂金屬打?。–old Spray metal Printing):冷噴涂金屬打印最初被美國宇航局用于太空中建造金屬物體。主要特點(diǎn)是快(每小時(shí)6公斤的鋁或銅),缺點(diǎn)是不是那么準(zhǔn)確。澳大利亞公司Titomic和SPEE3D是這項(xiàng)技術(shù)的領(lǐng)跑者。
超聲波固結(jié)(UAM):使用聲音將薄薄的金屬箔層粘合在一起,在粘合下一層箔之前加工掉每一層的多余部分,因此它是增材制造和減材制造的結(jié)合。Fabrisonic的 SonicLayer 3D 打印機(jī)系列使用了這項(xiàng)技術(shù)。
激光工程凈成型(LENS):是一種基于激光的方法,需要一個(gè)非??煽氐沫h(huán)境。這種工藝需要一個(gè)密封室,通常使用氬氣清除氧氣,使氧化水平盡可能低。LENS激光器的功率范圍從500W到4kW??捎糜诩庸も?、不銹鋼和鉻鎳鐵合金。盡管維護(hù)無氧室存在困難,但LENS為用戶提供了更好的精確度和控制。
電子束自由形式制造(EBF3):最初由NASA開發(fā),是一種主要用于航空航天工業(yè)的方法。這種方法可以在不浪費(fèi)任何材料的情況下制作出復(fù)雜幾何形狀,并且能夠創(chuàng)造出輕量級(jí)形狀以促進(jìn)燃料節(jié)約。
△Digital Alloys的焦耳3D打印工藝[圖片來源:Digital Alloys]
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