金属 3D 打印快速发展——如何安全地利用新技术

什么是金属 3D 打印？

首先，基础知识：金属增材制造方法有多种，包括更广泛的 DMLS（直接金属激光烧结）以及最近流行的金属粘合剂喷射方法。在 DMLS 中，金属粉末直接通过激光逐层熔化（或烧结）以制造零件。然而，金属粘合剂喷射层粘合在金属粉末托盘中，使得打印件在完成后可以从原材料中筛选出来，而无需移除支撑结构。从这里可以对零件进行烘烤、烧结或注入金属（如青铜）以达到最终形状。一旦完成初始设计优化，就可以实现更多金属零件的大规模生产。

金属增材制造如何发展

过去几年的供应链中断极大地提高了这个已经快速增长的领域的受欢迎程度，特别是对于医疗和航空航天公司而言。德勤和普华永道在 2018 年和 2019 年的预测中预测 3D 打印将继续流行，部分原因是金属和其他非塑料材料可用于 3D 打印。普华永道特别预测了整个金属增材制造供应链的增长，包括自己生产打印机和软件的公司、打印材料供应商和服务公司。随着越来越多的技术来补充 3D 金属打印，这一点已经在利基市场取得了成果，这是该行业成熟的标志。

虽然金属 3D 打印最初仅限于大型工业 DMLS 打印机，但它已经发展成为更复杂、更小的机器，可以实现更大的生产范围。更多小型金属 3D 打印机，包括金属粘合剂喷射模型，正在进入市场。它们在工厂车间占用的空间更少，成本也低得多，从而打破了想要开始金属增材制造的公司的进入壁垒。与此同时，大型工业打印机的制造商正在创建更大的打印床，以便每次打印可以创建更多零件。他们还不断向大型 DMLS 打印机添加越来越多的激光器，从而提高打印速度和一致性，使其更容易预测。

预测金属增材制造的结果也变得越来越容易。虽然最初用户只能通过打印来查看零件的结果，但较新的打印机拥有更好的软件来预测设计结果。像数字孪生这样的概念，可以在打印开始之前模拟 3D 打印零件的结果，也将有助于防止错误在继续推进过程中悄悄出现。有一天，这些双胞胎也将能够跨多个程序和机器工作，因为一个零件要经历许多制造过程。

金属材料本身越来越适用于增材制造。预计金属丝和粉末的成本将会下降。此外，一些打印机已经进入市场，使用聚合物封装的金属注射成型材料，这种材料比传统的 3D 打印金属便宜。与此同时，各公司已经对钨等难熔金属等高性能金属表现出越来越大的兴趣。未来更多高性能金属将可用于工业应用，包括高熵合金。然而，增材制造塑料不断发展，最终可能在某些性能上取代金属，成为昂贵和稀有合金的更便宜的替代品。

金属3D打印优势

为什么金属增材制造获得如此广泛的应用？正如您将在下一节中看到的，不同的行业发现它的不同方面很有价值。然而，总的来说，这种较新的生产方法可以：

• 高效利用能源和材料
• 在使用时按需创建零件
• 供应链缩短
• 设计更自由
• 比任何其他类型的制造都需要更少的设置（这包括比多套工具更高的灵活性和更少的费用。）

金属增材制造应用

金属 3D 打印在要求短时间以及需要使用大量昂贵金属来制造小零件的市场中变得最受欢迎。航空航天和国防公司是最先采用 3D 金属打印的公司之一，紧随其后的是医疗和牙科行业。这些行业首先采用金属 3D 打印，因为它解决了这些行业标准件成本高于其他行业的因素。

航空航天零件历来价格昂贵，原因有多种，包括使用稀有材料、缩短交货时间的必要性以及确保其性能符合规格所需的额外精度。它们还需要尽可能轻。金属增材制造以比传统制造工艺更便宜的方式解决了所有这些因素。 3D 打印金属部件的重量比通过其他方法生产的相同部件轻 70%。由于打印机仅使用所需的材料，因此与减材制造工艺相比，钛和镍合金等昂贵材料的浪费保持在最低限度。与此同时，喷气发动机涡轮机等产品本已紧张的交货时间被缩短，并且可以以更少的努力（因此成本）获得更高的精度。此外，通过 3D 打印可以更轻松地重新设计、简化和测试航空航天中的复杂系统，因为打印可以减少所需组件的数量并加快创建复杂原型系统的时间。

医疗和牙科制造商也使用 3D 打印，因为它能够在短时间内制造出精确、轻质的零件。但这些领域也需要以较低的成本实现高度的定制化，这对于人工髋关节、种植牙等产品来说是必需的。

此外，汽车公司一直在有限程度上使用金属增材制造来制造高端零部件。与航空航天和国防领域一样，金属打印使汽车企业能够更轻松地重新设计系统以提高性能。它还可以减轻金属部件的重量，以提高燃油效率，并创建专门的售后零件。然而，大多数汽车零部件比航空航天或医疗零部件便宜，而且增材制造尚未赶上其他工艺的速度，因此 3D 打印仅适合这些制造商的某些情况。

未来，采矿、石油和天然气等行业也可能采用金属3D打印，因为这种工艺有助于提高交付速度，而交付速度是这些领域的一个重要因素。一份报告显示，83% 的石油和天然气公司正在考虑采用 3D 打印或按需制造备件。

金属增材制造示例

具体来说，这是什么样的？在航空航天领域，NASA 和 SpaceX 已使用金属增材制造来制造宇宙飞船零件。 NASA 使用该技术制造了一种火箭发动机涡轮泵，其零件数量减少了 45%。以 SpaceX 为例，3D 打印零件进入其 SuperDraco 飞船的发动机燃烧室。

医疗领域也有金属增材制造的例子。到 2016 年，FDA 已批准金属 3D 打印植入物用于医疗手术，此后它们不仅用于髋关节植入物，还用于定制人造肋骨和颅骨植入物。 Xometry 通过 3D 打印和其他制造服务帮助构建新的手术机器人原型，创建经过医学验证的零件。

其他公司也有一些采用这项技术的著名例子；福特最近安装了一台自主机器人来控制打印机生产最终用途零件，从而扩大打印生产规模。与此同时，大众汽车在其德国总部工厂实施了粘合剂喷射打印。多家石油和天然气供应商也在尝试或实施金属 3D 打印，其中包括 PGV，该公司一直在按需打印工具卡瓦和活塞等零件，足以将交货时间缩短 50-80%，并将物理库存减少 50%。

金属增材制造的缺点

为了在更多行业流行，金属 3D 打印仍需要克服一些障碍。两种类型的打印都受到构建板尺寸的限制，可以同时打印的部件数量。对于 DMLS，移除支撑结构所需的后处理非常耗时且增加了成本。粘合剂喷射没有支撑结构，可以更快地进行大批量生产。然而，这两种方法都尚未达到冲压或锻造等传统制造工艺的速度和产量。因此，必须仔细选择使用此方法生产哪些零件，以确保其提供经济效益。

虽然金属 3D 打印具有多种优势，但只有在某些情况下才有意义。重要的是要调查您的公司是否会从使用这种制造工艺中受益，其次，您是否应该外包该工艺还是将其引入内部。

任何公司都可以开始使用 3D 打印零件，但那些无法对设备和支持流程进行前期投资的公司通常会使用第三方增材制造商来制造零件。想要创建内部增材制造设施的公司将需要考虑额外的设备和 DMLS 打印机（例如支撑结构拆除和 DMLA 安全程序）和粘合剂喷射打印机（例如烘烤和烧结或注入打印部件）的培训。

要确定 3D 打印是否值得，问问自己：

• 您目前生产的哪些零件将受益于 3D 打印？
• 成本方面有何好处？
• 3D 打印会对您的业务战略产生什么影响？
• 此流程会对您的供应链产生什么影响？
• 您需要考虑哪些监管因素？

任何想要开始使用增材制造的公司都应该首先成立一个团队与各个部门的人员交谈，以便了解利益相关者是谁以及哪些零件应该首先进行 3D 打印。如果您确定您的公司可以继续采用 3D 打印，则需要进一步决定是使用 3D 打印制造商还是在您自己的公司中设置此流程。

投资 3D 打印前期成本的公司会发现，从长远来看，他们可以节省资金，并且可以更好地控制流程。尽管优秀的添加剂制造商将提供知识产权保护和网络安全，但这种额外的控制可能会吸引那些希望避免共享信息的公司。希望内部制造的公司应考虑其生产是集中在一个地点还是从多个地点分布。许多决定在内部进行 3D 打印的公司也会从第三方增材制造商开始，获取有关可行方案的建议，并在设置自己的打印机之前将知识传授给自己的员工。 

可能从永久外包中受益更多的公司将包括那些没有购买和设置所有必要设备和培训的前期成本预算的公司。此外，想要小批量生产或只是想尝试小批量产品的公司也将从中受益。最后，如果必须测试或分析零件，与可以为您做到这一点的增材制造商合作可能会更容易。任何想要外包 3D 打印的公司都应该决定 3D 打印零件是否来自 OEM、一级供应商或其他供应商。

如何设计金属 3D 打印

无论您是设计要进行 3D 打印的新零件，还是创建已通过制造流程生产的零件，都必须专门针对打印流程设计零件，而不是移植其他流程的设计，这一点至关重要。否则，打印的零件充其量会增加成本，而最坏的情况是性能不如使用其他工艺制造的相同零件。

我们在金属粘合剂喷射设计、DMLS 设计和一般 3D 打印设计的深入指南中介绍了有关 3D 打印设计的更多详细信息。不过，简而言之，有几点需要记住：

• 自支撑结构的壁厚应至少为 0.7 毫米（0.024 英寸），无支撑或承重结构的壁厚应至少为 1.2 毫米（0.048 英寸）。壁厚也应保持均匀。
• 零件特征之间至少保留 0.5 毫米（0.020 英寸）间隙。
• 消除零件设计中的受限空洞，因为这是残留材料或支撑结构的地方，并会阻塞在后处理过程中需要离开的材料。
• 圆角可减少应力点并提高零件在其使用寿命内的性能。
• 请小心悬臂，因为这些悬臂在 3D 打印部件上非常脆弱，尤其是大而重的部件。

Xometry 的金属 3D 打印服务

随着金属打印从新型打印机到材料再到软件的发展，该领域为生产和供应链提供了令人兴奋的机会，无论公司规模如何。然而，必须确保该工艺适用于其他制造方法无法解决的痛点。如果您将金属增材制造视为贵公司的解决方案，我们可以提供帮助。请查看我们的金属 3D 打印功能页面，了解我们如何为您提供帮助，或者直接跳至我们的即时报价页面，获取有关创建产品的最佳方式的人工智能增强建议。提交文件和要求后，您将在一分钟内获得报价和交货时间。 

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迪恩·麦克克莱门茨

Dean McClements 是机械工程荣誉学士学位毕业生，在制造业拥有二十多年的经验。他的职业生涯包括在 Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace 和 Hyster-Yale 等领先公司担任重要职务，在那里他对工程流程和创新有了深入的了解。

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