假设您对增材制造 (AM)（通常称为 3D 打印）一无所知。鉴于这种改变行业的技术已经伴随我们超过 30 年，这种假设极不可能，但仍然是这篇“傻瓜式”文章背后的前提。如果您已经是该主题的专家，请随意去做一些更有趣的事情，例如 3D 打印一些很酷的部件或狂看最新的 Netflix 系列。
对于其他人，让我们从增材制造的非常简单的概述。美国材料与试验协会 (ASTM) 认可的七项增材制造技术中的每一项都从所需工件的 3D CAD 模型开始。在将此文件送入 3D 打印机之前，该文件像一条面包一样被数字化渲染成数千甚至数十万张薄如纸的切片。
这个燃烧室衬里是在 Velo3D 的蓝宝石系统上用 Amperprint 0233 Haynes 282 合金 3D 打印的。（由 Velo3D 提供)几种最常见的技术使用激光或 LED 光源连续追踪每一层的轮廓和内部部分到树脂桶或金属或聚合物粉末床的表面，固化这些区域。一旦每个层完成后，额外的材料被拉过新兴的工件，这个过程继续，从下到上一遍又一遍，直到零件完成。
还有一些系统使用挤压头，如热胶枪制造零件。一些将金属粉末或细线挤出到聚焦能量源（激光或电子束）的路径中，从而将熔融金属沉积到工作表面上，而另一些则选择性地将聚合物粘合剂喷涂到粉末床上，创建一个 mu 的“绿色”部分之后在烤箱中烧结。存在其他方法，随后将提供更多详细信息，但简而言之，这就是 AM。很简单，对吧？
一个行业的诞生
如前所述，AM 已经伴随我们很长时间了。它曾经仅限于聚合物印刷，后来扩展到工程级陶瓷、含有碳纤维或芳纶（芳纶）的复合材料，也许最引人注目的是金属及其各种合金。我们将在未来的增材制造行业报告中讨论聚合物和其他非金属材料的 3D 打印——不过，这份报告的平衡点将集中在金属 AM 上，它更年轻（目前，体积更小但速度最快） - 不断增长的）细分市场已经成为一个价值数十亿美元的市场。
位于德国 Krailling 的 Electro Optical Systems (EOS) 的创始人 Hans Langer 可能会争论“更年轻”的观点。 1994 年——就在立体光刻发明者 Charles Hull 创立 3D Systems 八年后——Langer&rs他的公司利用他们在聚合物粉末打印（也称为选择性激光烧结或 SLS）方面的专业知识推出了 EOSINT M 160，他和许多其他人认为这是第一台金属 3D 打印机。
DMLS 3D位于德克萨斯州奥斯汀的 Stratasys Direct Manufacturing 工厂正在打印。 （由 Stratasys 提供）这台机器使用镍和青铜等粉末金属的混合物来打印部件，这些部件具有与通过金属注射成型 (MIM) 技术制造的部件相似的机械性能。这显然是一个巨大的飞跃，但又过了十年，EOS 才开始销售能够制造“完全致密”金属部件的 3D 打印机，为航空航天、医疗、交通和能源行业日益广泛采用打开了大门。
兰格和他的团队将这种早期技术称为“直接金属激光烧结”或 DMLS，这是一个不再完全准确的首字母缩写词。如前所述，那些早期的粉末床机器需要青铜或类似的低熔点金属作为粘合剂；相比之下，现代 DMLS 打印机具有足够的激光功率来熔化或“融合”即使是最耐热的材料，包括钛、铬镍铁合金、哈氏合金以及钨和铌等难熔金属。这就是为什么 EOS 从那以后将 DMLS 动词“烧结”换成“schmelzen”（德语的“熔化”），这是一个更准确的术语，并且还允许他们保留其长期存在的商标首字母缩略词。
细读 Powder Bed Fusion
抛开简短的历史教训不谈，EOS 面临来自其他 3D 打印机制造商的大量竞争，其中许多制造商都有自己的特殊首字母缩写词。例如，SLM Solutions Group AG 已将其同名金属粉末床技术 SLM 注册为商标，简称 f或选择性激光熔化。 Concept Laser 现在是 GE Additive 的一部分，拥有 LaserCUSING 技术，3D Systems 提供 DMP（直接金属打印），TRUMPF 开发了激光金属熔合 (LMF)，Velo3D 提供其 Sapphire 系统及其底层智能熔合工艺。
DMP Factory 350 Dual 具有集成粉末管理和双激光配置，可提高生产率并降低运营成本。 （由 3D Systems 提供）所有这些都是激光粉末床熔合 (LPBF) 的示例，激光粉末床熔合 (LPBF) 是 ASTM International 描述的粉末床熔合 (PBF) 技术的金属子集，其中还包括聚合物打印。顾名思义，LPBF 打印机使用金属粉末床，在金属粉末床上方放置一个激光器或一系列激光器，这些激光器执行开头所述的任务——描绘轮廓和光栅或其他分别填充每个数字部分层的内部。这会形成一个小的熔化金属“池”，一旦激光通过，它会立即熔化到下面的层、冷却并凝固。
与 LPBF 密切相关的是电子束熔化 (EBM)，就像您可能会猜到，使用电子束代替激光来进行熔化。在撰写本文时，只有一家主要的 EBM 供应商存在——Arcam，现在归 GE Additive 所有。尽管能量传递方法不同，但这两个过程非常相似。两者都比目前所描述的要复杂得多，这也是每个 3D 打印机制造商开始与众不同的地方。
例如，建筑商加热他们的金属粉末床以减少热冲击当激光或高能电子撞击其他冷金属粉末时会发生这种情况——根据材料、打印机和零件几何形状，该温度可能为数百摄氏度（约 600 °F）或更多。
而且由于氧气和湿气会对电子束和熔化的熔池造成各种破坏，并且还容易与钛和铝等金属发生反应，因此金属 3D 打印机构建室内的环境必须被严格控制。在大多数情况下，会产生真空以从腔室中抽出空气和其他杂质，然后用精确量的氩气或类似的惰性气体填充。同样，每个构建器都有自己独特的方法，尽管每个构建器都必须遵循相同的物理定律。
支撑和表面
另一个重要的考虑因素是引入新鲜原料的方法每层完成后的材料。一些 3D 打印机使用硬金属或塑料刀片在新兴工件上刮下一层薄薄的粉末。其他人使用滚筒，在材料移动时压实材料，还有一些人使用硬橡胶刮刀方法或替代的非接触式重涂系统。在所有情况下的挑战是交付r 表面上的粉末数量一致且可预测，该表面不一定平坦，实际上可能有小突起和锋利边缘，当刀片经过时会卡住刀片，这是一种被称为“构建崩溃”的不幸事件。
这最后一点将我们引向了激光粉末床熔合的圣杯——管理导致单个零件层在构建过程中翘曲或向上卷曲的强烈热应力，之后需要热处理来缓解的应力。与某些类型的聚合物打印一样，这里的解决方案是将零件固定到构建板上（大多数金属零件在其上构造的可移动固定装置），并使用战略性放置的类似脚手架的结构固定到其他零件或零件部分。然而，精确控制激光输出和构建室内的气氛有助于减少或在某些情况下消除对此类结构的需求。无论如何，一旦 3D 打印部件从b使用高精度锯或电火花线切割机加工底板时，必须通过 CNC 加工、手动或机器人打磨或振动去毛刺方法去除这些“支撑”。这也是一个机会，可以平滑大多数增材制造工艺产生的典型粗糙表面光洁度，并完成机器的紧密公差或应用关键部件特征。所有这些都是 3D 打印过程中不可或缺的一部分。由于这个原因，在可预见的未来，金属 3D 打印和传统机械加工（也称为减材制造技术）将继续相互补充。
直接沉积
还有更多方法比 LPBF 和 EBM 对金属 AM 猫进行剥皮。其中之一是定向能量沉积 (DED)，这种技术通常用于修复涡轮叶片等零件，但也非常适合从头开始构建金属部件。与激光粉末床一样——实际上是所有 3D 打印技术logies - 存在许多品牌特定的迭代，其中包括来自 Optomec 的激光工程净成形 (LENS)、TRUMPF 的激光金属沉积 (LMD) 和精密光学制造 (POM) 的直接金属沉积 (DMD)。
这里展示的是Optomec的HC-245 5 轴激光粉末熔化 (LPF) 熔覆和焊接系统，专为中小型部件的修复或堆焊而设计。 （由 Optmec 提供）许多 DED 系统将金属粉末流注入高功率激光的路径中，该激光指向现有工件或构建板上。当两者合并时，在表面形成熔池，导致材料在明确定义的区域内净沉积。对于像钛这样的活性金属，需要一个充满惰性气体的密封构建室，否则需要一种围绕光束并从构建中消除氧气的保护气体rea 将用于反应性较低的合金，例如不锈钢。
其他 DED 机器制造商使用线材原料而不是金属粉末。其中之一是西亚基的 EBAM，电子束增材制造的简称。但也有 Norsk Titanium 及其快速等离子沉积 (RPD)、Gefertec 的 3DMP（3D 金属打印）、Lincoln Electric 和 WAAM（电弧增材制造）等。从广义上讲，所有这些都属于 DED 范畴，无论是线 DED、DED 弧还是 WAAM。
具有讽刺意味的是，最后一种是已知最早的金属 AM 形式。 1925 年，宾夕法尼亚州威尔金斯堡的发明家拉尔夫·贝克 (Ralph Baker) 和他的雇主西屋电气 (Westinghouse Electric) 一起为贝克的“装饰品制作方法”申请了专利。它描述了使用电弧焊“生产具有装饰性和实用性形状的容器或容器”，这一过程与今天的金属丝包覆、硬面和其他众所周知的构建零件表面的方法。
与 Baker 时代相比的变化是使用 CNC 龙门架或机器人运动控制来驱动沉积头，使其能够在三个维度上追踪复杂的零件几何形状.这为 DED 提供了极大的灵活性，更不用说它的生产力了。一些 DED 系统在各种高性能合金、铜、钛、不锈钢和难熔金属中的沉积速率高达每小时十几公斤。
这生成- 为 Arcimoto 的 Fun Utility Vehicle 设计的后摇臂是使用基于树脂的 3D 打印模具模型铸造的。 （由 Nexa3D 提供）例如，美国宇航局正在探索使用基于粉末的 DED 来构建横跨数米的排气喷嘴。同样，Relativity Space 已经成功地 3D 打印出同样质量的五个燃料箱，据说已将制造典型火箭所需的零件从 100,000 个减少到仅 1000 个。 Lincoln Electric 和其他 DED 供应商能够快速生产曾经需要数月才能建造的大型工具和机械部件。通过像机器制造商 DMG MORI、Okuma 和 Mazak 那样为五轴加工中心配备 DED 头，可以在一次操作中完成所谓的高精度和复杂工件的混合制造。
Bound for Success
粉末也可以用在其他方面。例如，Markforged 已经开发出将金属粉末与蜡状材料结合在一起形成长丝线轴的方法，这些线轴看起来很像除草机中的那些。与基于聚合物的熔丝制造 (FFF) 的操作相同，这种金属填充材料通过加热的挤压头进料并沉积到下面的工作表面上，同时构建部件。完成后，这些是洗过的去除大部分粘合剂，然后在炉中烧结直至固化。他们称其工艺金属为 FFF。
Desktop Metal 发明了类似的技术。它的 Studio System 采用结合金属沉积 (BMD)，顾名思义，它依赖于预先包装好的结合金属粉末棒，逐层挤压以构建工件。然而，这些部件不是经过二次清洗操作，而是经过两阶段烧结过程。这两种系统都旨在简化打印过程并消除对松散金属粉末的需求，甚至可以在办公环境中使用。
然后是粘合剂喷射。在这里，聚合物基粘合剂被选择性地喷涂在金属粉末床的表面上，暂时将颗粒固定在一起。类似于 LPBF 系统，然后将一层新鲜粉末拉过表面并重复该过程，最终产生“绿色”部件。与其他依赖烧结的 AM 系统一样，这些 r相对脆弱的结构必须先用溶剂清洗或用紫外线固化，然后才能进入烤箱进行最终融合过程，在那里它们变得完全致密。
除了基于烧结的技术之外，还有更多的技术。例如，Fabrisonic 的超声波增材制造 (UAM) 使用“喇叭”将极高频声波投射到金属薄板上，将它们粘合在一起。即使是钛和铝等不同的金属也可以连接起来形成金属三明治，当与 CNC 铣头结合使用时，可以制造包含集成电子设备的复杂零件。然后是 Hybrid Manufacturing Technologies 的 Jason Jones，他发明了激光熔覆和聚合物挤出头，可以改装到任何 CNC 铣床、多任务车床或机械臂上。机床制造商 Matsuura 和 Sodick 通过将金属 AM 纳入某些型号的立式加工中心，使 LPBF 更进一步，giv使制造商能够在一次操作中打印和加工具有随形冷却通道的塑料注射模具。
要点是什么？金属 3D 打印才刚刚起步。
设计和成本考虑因素
如果不简要提及增材制造零件的设计，那么任何关于金属增材制造的文章都是不完整的，许多人都提到了这些原则作为 DfAM。在某些方面，它是对话中最重要的部分，尤其是在涉及金属增材制造的情况下。这是因为所有形式的 3D 打印（金属、聚合物或其他）为设计人员提供了以前无法获得的机会，以获得更坚固、更轻、更有效的产品，这些产品已针对预期应用进行了优化。
利用然而，这些能力取决于两件事——设计师的技能和她使用的软件。获得其中的第一项需要教育、经验和不小的努力。好的news 是 3D 打印机制造商和 AM 社区通常为每个人提供大量资源，更不用说包括宾夕法尼亚州立大学在内的大学已经开始提供增材工程学位的事实。对于年轻人（甚至不那么年轻的人）来说，现在是从事制造业的好时机。
至于与 AM 相关的软件，CAD 行业在跟上并在某些方面做得很好超过 3D 打印机开发的案例，现在提供的产品远远超出了前面提到的切片和构建准备工具。拓扑优化、衍生式设计、增材制造工作流程管理——这些只是增材制造商可用的系统中的一小部分，所有这些系统都可以使增材制造零件设计更稳健，并使 3D 打印过程更高效。
这一切都有一些很好的理由。增材制造有望带来许多远远超出工厂车间的好处。正如 Velo3D 首席执行官 Benny Buller 所说尤其是，增材制造使本地打印和全球颠覆成为可能。这看似简单的一句话却蕴含着深远的意义。这意味着更短的供应链、更快的设计和开发周期、更少的设备停机时间以及更高的产品效率。也许最重要的是，这意味着时间、能源和自然资源等方面的浪费要少得多，所有这些对地球和依赖她的人来说都是好消息。特别感谢增材制造专家以及解决方案提供商 3D Systems、Nexa3D、Markforged、Optomec、Stratasys Direct Manufacturing 和 Velo3D，感谢他们在撰写本文期间提供的意见和事实核查。
