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10種最常用的金屬3D打印技術(shù)路線,該如何選擇?

導(dǎo)讀:幾年前,用金屬進行3D打印還只是用于工業(yè)。現(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(zhì)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(shù),以及你該選擇用那種技術(shù)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(shù)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(shù)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(yīng)用需求來選擇到底使用哪種技術(shù)。

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(shù)3D打印的鈦合金骨科植入物(來源:Zenith Tecnica公司)

這些髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)植入物樣本(上圖)是使用電子束熔化(EBM)打印的。它們結(jié)構(gòu)錯綜復(fù)雜,使用昂貴的鈦制成,并按照極高的材料質(zhì)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(gòu)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(shù)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(shù)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 Golf2020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(shù)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(shù)3D打印的。這種獨特的形狀是其他任何制造技術(shù)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(shù),因為它的速度快、產(chǎn)量高。同時,這項技術(shù)還能打印出色的表面光潔度。Cobra Golf將球桿制造轉(zhuǎn)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(shù)?

正如你在上圖中所看到的,并非所有的金屬3D打印技術(shù)特征都是以相同的方式測量的,特別是在涉及到構(gòu)建速度時。一些技術(shù)通過沉積材料的重量來記錄構(gòu)建速度,而其他技術(shù)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(shù)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(shù)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(yīng)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(shù)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(shù)屬于擠出技術(shù)。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(jié)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(shù)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MarkforgedDesktop 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(lǐng)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(shè)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(shù)的設(shè)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(gòu)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(gòu)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(fù)這些步驟,直到得到成品部件。

EBM技術(shù)相比,SLM技術(shù)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(shù)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(shù),主要用于導(dǎo)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(gòu)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(yīng)力也比SLM低。

4.?金屬粘結(jié)劑噴射

△使用3D打印機制造商ExOne(被Desktop Metal收購)的金屬粘結(jié)劑噴射技術(shù)制造的金屬零件(來源:ExOne

金屬粘結(jié)劑噴射可以打印出具有復(fù)雜設(shè)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(jié)劑噴射的多孔性特征也可用于實現(xiàn)醫(yī)療應(yīng)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(jié)劑噴射可以生產(chǎn)具有內(nèi)部通道和結(jié)構(gòu)的復(fù)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(jié)劑噴射重新設(shè)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(jié)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(jié)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

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△來自MX3DWAAM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(fù)現(xiàn)有物體。沒有支撐結(jié)構(gòu)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(yīng)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(shù)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(shù)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(shù)能夠建造完整的零件,但這種技術(shù)通常被用來修復(fù)或增加現(xiàn)有物體的材料。當與數(shù)控加工相結(jié)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(gòu)建速率。然而,帶來了較差的表面質(zhì)量,可能需要額外的加工。通常用于PBF系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)很少或從未用于DED,DED通常使用多軸轉(zhuǎn)臺來旋轉(zhuǎn)構(gòu)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)

xBeam DED打印機電子束熔化金屬線3D打印的零件,這些打印出來的零件有一半經(jīng)過CNC加工,以達到最終的零件質(zhì)量要求(來源:xBeam)

電子束定向能量沉積使用電子束熔化金屬線(而不是粉末),同時由噴嘴沉積。與上述WAAM非常相似,電子束DED因速度而受到推崇。與WAAM不同,這些打印機需要一個真空室。通常情況下,零件被打印成接近凈值的形狀,然后用數(shù)控機床加工成嚴格的公差,如上面的照片所示。

8.?金屬立體光刻技術(shù)

△用混合了金屬的樹脂材料制作的金屬打印件通常出現(xiàn)在微型3D打印中(來源:Incus)?

金屬光刻技術(shù),也稱為基于光刻技術(shù)的金屬制造(LMM),使用光敏樹脂和金屬粉末的混合物漿料作為原料。這種對光敏感的漿料在光的作用下被逐層選擇性地聚合起來。金屬立體光刻擁有出色的表面質(zhì)量,大多用于(但不限于)微型3D打印,因此它具有極高的細節(jié)。

9.?冷噴涂

△來源:Impact Innovations

冷噴是一種制造技術(shù),它以超音速噴射金屬粉末,在不熔化的情況下將其粘合,這幾乎不產(chǎn)生熱應(yīng)力。自21世紀初以來,它被用作一種涂層工藝,但最近幾家公司已將冷噴技術(shù)用于增材制造,因為它能以比典型的金屬3D打印機高約50100倍的速度將金屬層精確到幾厘米。

在增材制造方面,冷噴正在被用于快速制造金屬替代部件,以及金屬部件的現(xiàn)場維修和修復(fù),如石油和天然氣行業(yè)的軍事設(shè)備和機械。修復(fù)后的零件,在某些情況下,可以比新的更好。

10.?微納金屬3D打印

△來自3D MicroPrint的微納金屬3D打?。▉碓矗?/span>3D MicroPrint

有兩種方法可以制造微型金屬3D打印部件:上面提到的金屬立體光刻技術(shù)和微納選擇性激光燒結(jié)(μSLS),這是一種小規(guī)模的激光粉末床熔融技術(shù),上面也提到過。也被稱為微型激光燒結(jié)或微型激光熔化,這種工業(yè)技術(shù)使用一個粉末床和一個精細激光。

3D打印中的金屬材料

△來自The Virtual FoundryFDM打印金屬長絲(來源:The Virtual Foundry

幾乎所有的金屬都可以進行3D打印。除了零件的復(fù)雜性和速度之外,3D打印金屬的主要優(yōu)勢之一是節(jié)省原材料和幾乎沒有浪費。當使用昂貴的材料(如鈦)進行打印時,這一點極為重要。

一些3D打印方法可以使用已經(jīng)用于注射成型的的材料,如一些粉末、線材和顆粒,而其他材料則是為3D打印而獨特配制的。如果你知道你的零件需要用什么材料打印,請查看下面的指南,了解你可以打印鈦、鋁和鋼的所有方法。

BeamIT金屬3D打印服務(wù)?(來源: BeamIT)

為了從3D打印給金屬零件和產(chǎn)品帶來的所有優(yōu)勢中獲益,你不一定需要投資自己的3D打印機。全球各地有越來越多的3D打印服務(wù)提供商,他們不僅可以用你選擇的金屬打印你的產(chǎn)品或原型,而且它們甚至可以為你的零件提供最佳方法、材料和設(shè)計的建議。

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編譯自:all3dp