粉床 Fusion 3D 打印机：类型、优点、限制及其工作原理

当制造商想要制造具有复杂几何形状的 3D 打印零件时，他们通常会求助于粉末床熔合 (PBF) 机器。众所周知，这些零件很难用传统制造方法制造（有时是不可能的）。让我们详细了解一下。

什么是粉床熔融 (PBF) 机器？

PBF 机器是 3D 打印机，可以为许多不同行业的各种应用创建高质量、复杂的零件。它们的工作原理是使用激光或电子束熔化和融合金属或塑料粉末层，从粉末床逐层构建零件。它可以制造具有特定性能（例如强度或耐热性）的定制零件，以满足客户的特定需求。您可以在下图中看到其中一台机器的样子。

PBF 的优点在于它通常可以将浪费降至最低，因为任何多余的粉末都会在零件完成后被收集和回收。设计还可以快速迭代，使工程师能够更新 CAD 设计并重新打印有缺陷的零件。对于具有复杂内部几何形状的复杂零件，PBF 是首选的 3D 打印方法。与金属铸造或 MIM 等其他方法相比，完整零件的设计、制造、测试、重新设计和再次打印速度要快得多。 PBF机器可以同时生产多个零件，从而提高生产率并减少制造零件所需的时间。

PBF可以与多种塑料和金属配合使用，并且所制造的零件在打印过程中需要最少的支撑结构；未使用的粉末充当支撑。例如，在涡轮叶片内部制作冷却通道时，可以简单地将多余的粉末倒出。话虽如此，PBF 是一个相对较慢的过程，由于需要粉末预热、真空产生和冷却时间，打印时间较长。此外，由于它们一次一层地制造，PBF 零件的结构特性通常不如使用其他工艺制造的零件那么强。表面质量还取决于粉末的粒度，并且可以类似于砂型铸造和压铸等制造工艺。 

您还必须注意热变形，这可能会导致制造零件收缩和翘曲，特别是如果它们是由聚合物制成的。对于某些人来说，另一个缺点可能是成本高。设备和材料都很昂贵。虽然可以找到价格低于 100,000 美元的端到端系统，但价格通常在 150,000 美元至 200,000 美元之间，高端型号有时价格超过 1,000,000 美元。这也是一个消耗能量的过程。打印后残留并在后处理中去除的未使用的粉末应该有效回收，尽管预热仍然会影响一些未使用的材料。 

粉床熔融 (PBF) 机器如何工作？

PBF 3D打印过程的步骤如下：

1. 必须创建 CAD 模型并将其分割成层。在打印开始之前，3D 打印机会根据构建顺序进行编程。
2. 在构建平台上铺展一层薄而均匀的粉末（通常为 0.1 毫米）。
3. 粉末床被加热到略低于材料熔点的温度，以减少热应力。
4. 高功率激光或电子束根据数字模型选择性地熔化粉末层。材料冷却时会凝固。
5. 构建平台降低一层厚度，重复该过程直至零件完全成型。
6. 一旦打印完成，零件就会从粉末床上取出，然后就可以开始任何后处理步骤。 

粉床熔融 (PBF) 机器有哪些类型？

有多种不同类型的 PBF 机器可用于打印零件。粉末床熔融 (PBF) 增材制造技术有两种主要类型：激光束 (PBF-LB) 和电子束 (PBF-EB)。每种类型都有与其相关的商标技术。这些是直接金属激光烧结 (DMLS)、选择性激光烧结 (SLS)、选择性激光熔化 (SLM) 和电子束熔化 (EBM)。这些工艺的区别在于所使用的 3D 打印材料和用于熔化粉末的热源。 PBF 方法使用激光或电子束来熔化粉末颗粒。以下各节将分别讨论每种方法：

1。直接金属激光烧结（DMLS）

DMLS 是一种 PBF 增材制造技术，使用高功率激光选择性地熔化金属粉末。该工艺与 SLS 类似，但使用金属粉末而不是塑料。激光束将金属颗粒熔化并熔合，逐层形成固体部件。 DMLS 通常用于航空航天和医疗行业，用于生产具有高精度和理想机械性能的复杂金属零件。

2。选择性激光烧结（SLS）

SLS 是一种 3D 打印技术，使用高功率激光选择性地将粉末状聚合物材料（通常是塑料或尼龙）熔合成固体物体。它逐层构建零件，每一层都由激光熔化。未熔合的粉末材料在构建过程中支撑零件，从而无需支撑结构。 SLS广泛应用于原型制作、产品设计和小批量生产。

3。选择性激光熔化（SLM）

SLM和SLS的相似之处在于，这两种工艺都使用高功率激光来提供热量，属于PBF-LB类别。然而，SLM 的不同之处在于激光完全熔化粉末而不是仅仅烧结它。这会产生更致密、更坚固的最终部件。该工艺通常用于钛及其合金、铝合金和不锈钢等金属粉末。可以加工更不常见的金属，例如钨，但它们的应用往往更加专业。构建室中采用惰性气氛（通常为氩气），以防止固结材料的氧化或氮化。 SLM 通常用于航空航天、医疗和汽车行业，用于生产具有高质量机械性能和复杂几何形状的零件。

4。电子束熔炼 (EBM)

EBM 是另一种用于制造金属零件的粉末床熔合工艺。它使用光束而不是激光来熔化和熔合金属粉末。与基于激光的技术不同，EBM 打印机的运行方式类似于小型粒子加速器，通过在真空下向粉末床发射电子来熔化金属材料。带电电子会导致粉末颗粒分散，这就是为什么每层材料通常在 3D 打印过程开始之前进行预烧结的原因。此外，整个打印床在整个构建过程中保持高温。在 3D 打印过程中，零件被构建在半烧结粉末饼内，这提供了支撑并且通常无需额外的支撑结构。值得注意的是，EBM 有一种变体，允许在松散粉末中烧结零件。

EBM 通常用于生产航空航天和医疗应用的大型复杂金属零件。与其他 PBF 技术相比，EBM 提供更高的构建速度和更小的零件残余应力，但设备通常比其他机器更昂贵。

使用粉末床熔融 (PBF) 机器进行 3D 打印有哪些好处？

• 灵活
• 缩短了复杂设计零件的制造时间
• 减少浪费，进而降低成本和环境影响
• 适用于多种材料
• 打印过程中需要最少的支撑结构

使用粉末床熔融 (PBF) 机器进行 3D 打印有哪些限制？

• 打印时间长，处理速度慢
• 结构特性较弱
• 表面纹理取决于粉末的粒度
• 昂贵的机械和粉末
• 热变形
• 消耗大量能源

粉末床熔融 (PBF) 的制造工艺是怎样的？

PBF的制造过程包括以下步骤：

1. 设计 CAD 文件并将其链接到 3D 打印机。设计被数字化地分割成层，并且在实际打印开始之前预先确定打印顺序。 
2. 将粉末撒在构建平台上。一层薄薄的粉末均匀分布在整个构建区域。
3. 将整个构建区域加热到略低于粉末颗粒熔点的温度。
4. 根据预先编程的模式，使用高功率激光或电子束选择性地熔化特定区域的粉末。熔化的粉末在冷却时凝固并形成固体层。
5. 将构建平台降低一层厚度，然后重复该过程，直到零件完成。
6. 一旦打印完成，零件就会从粉末床上取出。它们经历各种后处理步骤，例如去除支撑结构、热处理、机械加工或抛光。

PBF 的后制造流程如何？

PBF 打印零件的后处理会因所使用的材料不同以及打印零件所用的方法不同而有所不同。 

由于加工过程中产生的内应力，金属 PBF 零件需要进行热处理。热处理后，移除支撑结构并可以进行额外的后处理。根据客户要求，有多种后处理选项可供选择，包括 CNC 加工和抛光。

金属 EBM 部件可自由漂浮在基材上，并在构建过程中由半烧结粉末支撑。可以添加牺牲支撑以进行热控制或后处理。 EBM 零件需要打碎粉饼，但由于打印机内部温度升高，不一定需要热处理步骤。

另一方面，塑料部件从未熔化的粉末床上去除，并通过喷砂去除多余的材料，从而获得一致的表面光洁度。喷砂完成后，SLS 部件将保持原样，但如果需要颜色，它们是进行额外染色的良好候选者。

PBF 机器与其他类型的 3D 打印机有何不同？

PBF 机器在几个方面与其他类型的 3D 打印机有所不同。最显着的区别是他们如何使用粉末材料逐层构建零件。 PBF 机器使用高功率激光或电子束选择性地熔化金属或塑料粉末，而其他 3D 打印机可能使用挤出或光聚合方法。 PBF 机器还能够生产高度复杂和复杂的零件，具有高精度和准确度。此外，PBF 机器能够生产具有卓越机械性能的功能性塑料部件，超越任何其他 3D 打印技术所能实现的性能。然而，它们通常需要进行后处理才能达到所需的表面光洁度，并且在所生产的零件的尺寸和几何形状方面可能存在限制。此外，PBF 机器往往更昂贵，并且需要更专业的知识和培训才能操作。

PBF 机器可以使用哪些材料？

PBF 3D打印机支持多种材料，如下：

塑料

• 尼龙（包括玻璃和矿物填充）
• 聚丙烯
• 聚醚醚酮 (PEEK)
• 聚醚酮酮 (PEKK)
• TPU

金属

• 铝合金和轻合金
• 铬钴合金
• 贵金属（金、银）
• 铜及合金（青铜、黄铜）
• 因科镍合金®
• 钢（低碳钢、合金钢和不锈钢 316 L 和 17-4PH）
• 钛及合金
• 镍及合金

PBF机在不同行业的常见应用有哪些？

• 航空航天（涡轮叶片、燃料喷嘴、导流叶片）
• 医疗（定制骨科零件、钛合金颅骨/髋臼植入物、人工髋关节）
• 汽车（原型设计、赛车用带冷却管道的刹车片）
• 军用飞机部件

PBF 机器的发展如何影响制造业？

粉末床熔融 (PBF) 机器的发展以多种方式彻底改变了制造业。最重要的影响之一是它提供了更大的设计自由度。 PBF 机器可以创建复杂的几何形状，而使用传统制造方法很难或不可能生产这些几何形状。 

PBF 机器的另一个关键影响是更快的原型制作，这显着减少了开发新产品所需的时间和成本。通过快速原型制作，制造商可以快速测试其设计概念并在最终确定生产设计之前进行改进。 

PBF 机器还有助于减少制造过程中的浪费。 PBF 机器仅使用制造零件所需的材料，从而减少浪费并降低材料成本。这不仅有利于环境，也有利于制造商的利润。在效率方面，PBF机器可以同时生产多个零件，从而提高了生产率并减少了制造零件所需的时间。最后，PBF 机器能够生产具有特定性能（例如强度、耐用性和耐热性）的定制零件。这导致了具有独特功能的新产品的开发，以满足客户的特定需求。 

PBF 机器与 DED 相比有多少？

PBF 机器和 DED（定向能量沉积）机器的成本可能会有所不同，具体取决于制造商、型号、尺寸和功能等多种因素。然而，一般来说，PBF 机器往往比 DED​​ 机器更昂贵。 PBF机器采用更先进的技术，能够生产精度更高、表面光洁度更好的零件。

操作 PBF 机器应遵循哪些安全措施？

就像大多数制造工艺一样，使用 PBF 制造零件时保持安全应该是首要任务。以下是一些与安全相关的需要考虑的事项。 

1. PBF 机器会排放烟雾和细尘 - 请确保您在通风良好的区域工作，以尽量减少吸入风险。
2. 处理粉末和操作机器时，请穿戴个人防护装备，包括手套、护目镜和呼吸器。
3. 避免接触加热的组件或打印部件，直到它们冷却为止，并小心锋利的边缘，尤其是金属打印件。
4. 高温和火花会造成火灾，因此请在附近放置灭火器，并清除该区域的易燃材料。
5. 金属粉末可能很危险——请小心处理并使用防护设备以避免吸入或皮肤接触。
6. 定期检查和维护有助于防止故障并确保安全运行。

PBF 后处理

PBF 打印零件的后处理方法根据所使用的材料和制造工艺而有所不同。通过 DMLS 或 SLM 制造的金属 PBF 零件通常需要热处理以消除打印过程引起的内应力。热处理后，支撑结构被移除，然后进行额外的后处理，如 CNC 加工、抛光或表面处理。 

与基于激光的金属 PBF 方法不同，采用 EBM 制造的金属零件由半烧结粉末饼而不是固体基材支撑。它们必须从粉末床中提取，但通常不需要热处理，因为高成型温度可将残余应力保持在最低限度。可以添加牺牲支撑以进行热控制或后处理。将塑料 SLS 零件从粉末床上取出并进行清洁，以去除多余的材料，通常使用喷砂来获得均匀的表面效果。这些可以保留原样或染色以进行颜色定制。

PBF 如何为增材制造做出贡献？

PBF 通过多种方式为增材制造做出贡献。首先，它能够生产复杂的几何形状，而使用传统制造方法很难或不可能创建这些几何形状。其次，它允许创建具有特定属性（例如强度或耐热性）的定制零件。第三，与传统制造方法相比，它可以更快地生产零件，并且浪费更少。最后，它有可能降低制造成本，特别是对于小批量、高价值的产品。

PBF机器贵吗？

是的，PBF 机器相当昂贵。虽然可以找到低于 100,000 美元的端到端系统，但价格通常在 150,000 美元至 200,000 美元之间。高端 PBF 机器的成本可能超过 1,000,000 美元。这些系统的成本取决于机器的尺寸、功能和特性。然而，随着技术的普及和新制造商进入市场，PBF 机器的成本确实会随着时间的推移而降低。此外，在某些应用中使用 PBF 机器可以节省成本并提高效率，这可以证明某些企业的投资是合理的。

PBF 机器能够比 DED（定向能量沉积）机器产生更高质量的解决方案吗？

PBF 机器和 DED（定向能量沉积）机器具有不同的优点和缺点，因此很难笼统地说明哪一种可以产生更高质量的解决方案。 PBF 机器通常更适合生产具有精细细节、更好的表面光洁度和优异机械性能的高精度零件。粉末床熔合工艺可以实现复杂的几何形状和对材料分布的精确控制，从而使零件具有出色的尺寸精度和表面光洁度，尽管有时需要进行后处理。 PBF 机器还可以生产多种材料的零件，包括金属、陶瓷和塑料。

另一方面，DED 机器更适合生产具有复杂几何形状的大型零件，例如航空航天部件或工业模具。 DED 机器通常比 PBF 机器更快，并且可以处理更大的零件尺寸，但它们可能不具有相同水平的精度或表面光洁度。

有关粉床熔合机的常见问题

PBF 和 DED 机器有什么区别？

PBF 机器和 DED（定向能量沉积）机器具有不同的优点和缺点，因此很难笼统地说明哪一种可以产生更高质量的解决方案。 PBF 机器通常更适合生产具有精细细节、更好的表面光洁度和优异机械性能的高精度零件。粉末床熔合工艺可以实现复杂的几何形状和对材料分布的精确控制，从而使零件具有出色的尺寸精度和表面光洁度，尽管有时需要进行后处理。 PBF 机器还可以生产多种材料的零件，包括金属、陶瓷和塑料。

另一方面，DED 机器更适合生产具有复杂几何形状的大型零件，例如航空航天部件或工业模具。 DED 机器通常比 PBF 机器更快，并且可以处理更大的零件尺寸，但它们可能不具有相同水平的精度或表面光洁度。 PBF 和 DED 机器的成本可能会因多种因素而异，例如制造商、型号、尺寸和功能。然而，一般来说，PBF 机器往往比 DED​​ 机器更昂贵。 PBF机器采用更先进的技术，能够生产精度更高、表面光洁度更好的零件。

PBF 机器与其他类型的 3D 打印机有何不同？

PBF 机器在几个方面与其他类型的 3D 打印机不同，主要是它们如何使用粉末材料（而不是长丝或树脂）逐层构建零件。虽然 PBF 机器使用高功率激光或电子束来选择性地融合材料，但其他 3D 打印机可能使用挤出或光聚合方法。 PBF 机器更加精确，可以制造具有优异机械性能的功能性塑料部件，优于任何其他 3D 打印技术。然而，它们通常需要进行后处理才能达到所需的表面光洁度，并且可能在尺寸和几何形状方面存在限制。 PBF 机器也往往更昂贵，并且需要更专业的知识和培训才能操作。

PBF 机器使用的最佳材料是什么？

这将取决于您需要制作什么以及其他因素，例如您的预算。每种材料都有其独特的特性、优点和缺点，这些都会影响打印过程。金属需要高温和能量来熔化和凝固材料，这会增加打印时间和成本。与金属相比，聚合物需要更低的温度和更少的能量，这可能意味着更快的打印时间和更低的成本。但值得注意的是，聚合物的机械性能可能比金属差，并且更容易翘曲和变形。同样，最适合您的项目的材料将取决于您需要什么属性以及您需要花多少钱。

为什么 PBF 有利于原型设计？

PBF 机器可以更快地进行原型设计，从而显着减少开发新产品所需的时间和成本。通过快速原型制作，制造商可以在最终确定生产设计之前快速测试其设计理念并进行改进。

凯特·德·纳乌姆

Kat de Naoum 是一位来自英国的作家、作家、编辑和内容专家，拥有 20 多年的写作经验。 Kat 拥有为各种制造和技术组织写作的经验，并且热爱工程领域。除了写作之外，Kat 还担任了近 10 年的律师助理，其中 7 年从事船舶融资工作。她为许多出版物撰写文章，包括印刷版和在线版。 Kat 拥有金斯顿大学英国文学和哲学学士学位以及创意写作硕士学位。

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