金属 3D 打印的独特挑战和解决方案

金属 3D 打印并非没有实际挑战和机遇。更深入地了解可能出现的障碍以及如何处理障碍。此外，了解可能改变市场方向的新兴技术。

金属 3D 打印的未来已经到来——它的入门价格可能会遇到阻力。制造业的大佬们在这个领域非常深入——他们可能需要一家较小的专卖店的帮助。一起采用 3D 和金属需要什么？首先，拥抱新的工程方法并适应金属粉末等新材料。

SpaceX 用它制造关键部件。美国国家航空航天局、波音公司、洛克希德马丁公司和通用电气航空公司也是如此。这些和其他制造商是 3D 打印金属部件，用于将我们从一个城市带到另一个城市的飞机、将宇航员带到近地轨道的航天器以及将红色特斯拉跑车发射到小行星带的火箭。医疗公司也加入了增材制造领域，为事故受害者提供 3D 打印的髋关节置换植入物和颅骨修复板。汽车和消费品也在排队。

如果您是这些主要航空航天公司之一的分包制造商，那么您已经了解伴随这项复杂技术的挑战。虽然它不会在我们有生之年取代传统或许多 CNC 加工和制造工艺，但它正在改变可用制造选择的格局。

看看数字：市场研究人员 IDTechEx 预测，到 2028 年，3D 金属打印行业的规模将从 2018 年的约 25 亿美元增长到 120 亿美元。2016 年安永研究发现，52% 的受访公司在 3D 打印中选择金属而不是其他材料.紧随其后的材料聚合物，获得了 31% 的需求，其中 6% 的人希望打印陶瓷。

安永在报告中说：“公司之所以选择它[金属]，是因为它允许使用贵金属、钛、工具钢、不锈钢和铝合金打印产品。” “在已经使用金属 3D 打印的公司中，来自两个行业的公司名列前茅：航空航天和汽车公司。这些公司中有 65% 使用金属 3D 打印；如此高的比例是由于这些行业的产品中含有大量金属成分。”

准备好等待并清理金属 3D 打印零件和组件

在进入 3D 打印业务之前，请做好准备。这听起来很明显，但以这种方式制造零件与挖出一块铝或转动钴铬轴完全不同。工具是激光，材料是一堆金属粉末，夹具是一块扁平的金属板。加载程序，点击循环开始——几小时或几天后，你的零件就准备好了。差不多了。

问题来了：与机械加工相比，金属 3D 打印的构建速度不仅慢得惊人，而且零件在加工时不一定完成，也不完全准确。无论您知道它是直接金属激光烧结、电子束熔化还是选择性激光熔化，使用粉末床熔合的典型公差约为 +/- 0.005 英寸，其表面光洁度可与熔模铸造相媲美（在最佳情况下约为 125 Ra ）。这意味着通常需要机加工来清理任何关键表面、钻孔、切削螺纹等。

更重要的是，粉末床熔合需要像脚手架这样的结构在加工过程中支撑工件。这意味着可能需要打磨、喷砂和额外的机加工来去除这些支撑。

您想了解有关 3D 产生影响的原因和方式的更基本背景吗？查看“制造业中的 3D 打印案例”。

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很热门：金属上的 3D 打印应力

还需要考虑热应力。激光和电子束将钛、铝、不锈钢、钴铬合金、工具钢和数十种其他合金的颗粒加热到其熔点，可超过 2,700 度。每层完成后，添加新鲜粉末，然后重新开始该过程。正如您可能想象的那样，这种重复的加热和冷却会产生巨大的应力，必须在构建过程中加以控制，然后通过热处理在构建后进行退火。

这需要考虑和管理很多。此外，那些追求 3D 打印策略的人必须考虑可扩展性、建模、分层和模拟。

可扩展性

直到最近，最大的 3D 金属打印机还不足以打印一个烤面包机。今天，商用机器可以制造独木舟大小的零件，每小时可沉积 20 磅金属。您需要什么尺寸的机器，哪种技术最好，您的预算有多大？你可以算出这将花费 100 万美元或更多，这还不包括学习曲线。

建模

添加剂制造商面临的最大障碍之一是零件设计。工程师要想在这项技术上取得成功，就必须学会以不同的方式思考——这意味着采用以前无法制造的复杂几何形状和“有机形状”。当然，这取决于机械师和制造工程师如何固定出现的异形零件。

分层

一旦设计获得批准，3D 打印机程序员或操作员必须设计支撑结构并确定定位和构建零件的最佳方式。好消息是，有很多为此目的而设计的软件程序——而这项任务远没有以前那么困难了。

模拟

床中充满粉末，构建板干净，金属准备好熔化。不过，在按下按钮之前，使用软件模拟评估构建过程很重要。这将有助于识别热应力可能导致其丑陋的头部出现的区域，检测需要（或不需要）支撑结构的位置，并确认现有零件设计是否适合 3D 打印。

3D 打印金属，认识你的新朋友，聚合物

在 3D 金属打印领域，粉末床融合至高无上——至少目前如此。一些新技术正在进入粉末床领域，包括热喷涂和挤压方法，它们有望降低成本（在 120,000 美元范围内，而不是 500,000 美元及以上）、更高的精度和更快的构建速度。其中一个很像喷墨打印机，只是“墨水”是由金属粉末和聚合物粘合剂混合而成的。

该零件在放入烤箱进行烧结之前以“绿色”状态构建，这与已有数十年历史的金属注塑成型工艺略有不同。由于它使用相同的金属粉末，因此它受到的冶金学审查远不及其他添加剂粉末。与所有金属 3D 打印技术一样，它可以生产完全致密的零件。

与一些新型聚合物打印机中使用的“粘合剂喷射”技术类似，据报道，打印速度比竞争对手快 10 到 100 倍。机器成本只是粉末床或混合机床的一小部分。几乎不需要支撑结构，使用的支撑结构可以在烧结后轻松弹出。而且由于没有激光——只有紫外线来固化粘合剂材料——而且金属是在任何办公室工作人员都熟悉的打印机友好型墨盒中提供的，因此健康和安全问题要少得多。

Modern Machine Shop 主编 Peter Zelinski 在文章“低成本金属增材制造的到来？” “现在，低成本的金属 3D 打印可能意味着商店将常规地对金属零件采用增材和减材方法。这也可能意味着适用于添加剂的金属零件的范围正在准备扩大。”

您是否有过金属 3D 打印或任何其他增材制造工艺的经验？您和您的商店感觉如何？