金属增材制造：您需要了解的内容

自 20 世纪后期商业化以来，增材制造已经改变了制造业。随着增材制造工艺继续席卷整个行业，金属增材制造和该工艺的众多应用正在走向生产制造的前沿。

在具有开放材料平台和更快打印速度的新型金属增材制造机器的发布的推动下，金属增材制造系统的销售正在蓬勃发展，预计到 2024 年该细分市场将创造近 40 亿的收入机会。随着金属增材制造的不断进步，这很重要了解金属增材制造的优势，以及该工艺的众多应用如何改变制造业的面貌。

快速链接：

• 金属增材制造的历史
• 金属增材制造/3D 打印工艺
• 金属增材制造技术
• 金属增材制造技术的优势
• 通过 CMTC 在您的加利福尼亚工厂中利用增材制造

金属增材制造的历史

增材制造过程可以追溯到 1980 年代中期，因为引入了更快的产品开发方法。最初称为快速原型制作，该过程能够生成尺寸模型以创建更快的原型，以测试模型的适合性和功能。

到 1987 年，一种称为立体光刻 (SLA) 的新塑料加工技术商业化，成为增材制造领域的第一个专利。借助 SLA，制造商可以用激光固化对紫外线敏感的液体聚合物，从而以前所未有的速度生产 3D 模型。增材工艺的这一里程碑为制造商、工程师和设计师提供了比以前更有效地创造产品的新机会。

到 1990 年代初，其他基于聚合物的增材制造工艺开始商业化。 1992 年，使用激光将粉末材料熔化成固体的选择性激光烧结 (SLS) 面世。不久之后，金属增材制造获得专利并投放市场。与其他增材制造工艺一样，这项技术能够快速生产金属原型、产品和工具。虽然引入金属增材制造工艺能够通过烧结所选金属粉末来制造金属部件，但最终结果是材料更可与复合材料而不是合金相媲美，因为低熔点材料现在可以与高电阻金属结合，例如作为不锈钢。

金属增材制造和 3D 打印工艺

增材制造过程通过逐层添加金属、塑料或陶瓷材料来制造物体。增材制造可以增强，在某些情况下，可以取代通过机加工、切割、车削、成型、铣削和其他“减法”制造过程创建物体的传统方法。

要使用增材制造制造物体，需要使用 CAD（计算机辅助设计）软件或通过对将要打印的物体进行扫描来创建设计。该软件可以将扫描结果转化为精确的框架，让 3D 打印机逐层跟踪。

金属增材制造，也称为金属 3D 打印，采用增材制造工艺并将其应用于金属。通过使用能源或粘合剂将金属粉末分层，可以设计和构建精确的物体。由于增材制造机器的进步，即使在几年前也无法制造的物体现在可以使用各种材料以新的强度和标准制造。

可用于增材制造技术的各种金属粉末正在不断扩大。一些最常见的金属材料包括不锈钢、镍、钴铬合金、钛合金和铝。这种不断增加的建筑材料范围使制造商能够根据对象的确切规格和期望选择合适的材料。

金属增材制造技术

金属增材制造方法可分为用于连接金属的工艺，包括粘合剂、加热喷嘴或激光。以下是一些最常见的金属增材制造技术。根据所采用的技术，所得打印部件可能是净形或近净形。

基于激光的粉末床添加剂

粉末床熔化 (PBF) 方法使用激光或电子束将金属粉末熔化并融合成固体。该技术包括以下金属增材制造方法：电子束熔化 (EBM)、直接金属激光烧结 (DMLS)、选择性热烧结 (SHS) 和选择性激光熔化 (SLM)。选择性激光烧结 (SLS) 是一种使用激光作为电源来烧结粉末材料的附加技术，尽管在 SLS 中通常使用聚合物而不是金属。

无论采用何种方法，所有基于激光的粉末床技术都需要将金属粉末铺展到前几层，无论是通过滚筒还是刀片。这种增材工艺中最常用的金属是不锈钢、钛​​、铝、钢、钴铬合金和铜。

金属粘合剂喷射

这种金属增材制造方法类似于二维喷墨打印机。金属粉末被喷射到构建平台上，以使用连续或按需滴落 (DOD) 方法打印物体。使用液体粘合剂逐层结合粉末，构建所需的物体。刚打印出来的零件最初很脆弱，需要进行后处理烧结和渗透以加强。最终结果可以通过可选的精加工过程，其中零件被抛光或镀镍或金。

粘合剂喷射的独特优势之一是消除了金属粉末的任何熔化，这会导致残余应力积聚。它也是最便宜的金属增材制造技术之一。

片材层压

这种方法通过粘合、超声波焊接或钎焊将材料片逐层连接在一起以构建物体。片材层压方法是低温工艺，可以将不同的材料粘合在一起。通常，片材层压方法用于视觉和美学模型，而不是用于结构用途。

定向能量沉积

这种方法是一种更复杂的 3D 打印过程，顾名思义——聚焦能源，如激光或电子束，直接对准建筑材料使其熔化，同时逐层沉积。这种技术通常用于修复或向现有结构添加额外材料。定向能量沉积 (DED) 使用加热喷嘴将熔化的材料（通常是钛或钴铬）沉积到指定的表面上，然后凝固。

金属增材制造技术的优势

在其存在的最后几十年中，增材制造技术对整个制造业产生了革命性的影响。这种合并组件的能力——将一个零件打印为一个单元，而不是多个必须连接或固定的零件——减少了材料浪费，通常会提高产品的整体质量和性能。除了这种节省浪费的优势外，金属增材制造方法还具有独特的优势，包括：

复杂性是“免费的”

使用传统的减材制造工艺时，随着越来越多的减材铣削、轮廓加工和精加工操作变得越来越必要，零件设计的复杂性会导致成本越来越高。使用 Additive 时，设计的复杂性几乎不会增加成本，而且通常会降低零件的成本。例如，如果零件是棱柱形零件 - 实心矩形块 - 从近净形坯料铣削很简单，并且需要在铣床上进行很少的走刀，因此成本较低。使用添加剂的印版需要在机器上多次通过以沉积所需数量的材料以建立形状，从而导致成本高得多。然而，如果零件是有机形状——想想一个看起来像树根结构的支架——铣削可能需要定制的夹具和多次机床加工，通常需要多次更换刀具，以及大量刀具路径编码，所有这些都会导致高成本.使用 Additive 打印有机形状，使用软件自动创建刀具路径，大大减少了通过次数和沉积材料的数量，从而降低了该部件的成本。

消除额外成本

与传统方法相比，金属添加剂工艺减少了材料浪费。由于原材料是逐层精确构建的，因此几乎不需要从固体物体上减去或刮掉碎片。只使用需要的材料并将其放置在需要的地方，从而使金属增材制造技术具有资源效率。

此外，金属增材制造通过消除对昂贵工具的需求来减少浪费，从而为您的企业节省资金和时间。通过选择正确的金属增材制造工艺，您可以获得多种材料以满足您的特定生产需求。

广泛的材料

材料的特性和整体性能由其化学成分、结晶状态和底层微结构决定。这些特性迫使工程师在为特定应用选择材料时接受某些权衡。然而，由于 3D 打印技术的进步，这种让步可能很快就会成为过去。

在制造商仅限于金属增材制造中使用的材料之前，现在可以使用的金属粉末种类越来越多。一些更常见的金属材料包括：

• 不锈钢
• 钢
• 钛
• 铝
• 铜
• 钴铬
• 钛合金
• 镍合金
• 黄金
• 银色
• 白金
• 钯金

随着增材制造的进步，能够使用的金属粉末清单将继续扩大。

改进的设计能力和拓扑优化

通过金属增材制造，可以创建独特而复杂的结构，否则会花费额外的时间和零件。通过合并组件，现在可以将物体作为单个单元生产，以提高强度和效率，而不是在生产后必须连接或固定多个部件。

此外，自动化设计的最新进展使产品的生产能够满足多种应用需求。拓扑优化软件允许设计人员指定零件的参数，并允许软件根据所需的结构、功能、热或其他属性定义其架构。最终结果是设计可以变得更坚固、更轻、更坚固，并且更能抵抗自然力和外部条件。

减少生产时间

与传统加工相比，金属增材制造众所周知的优势之一是减少了产品从设计阶段过渡到最终生产所需的时间。由于在 3D 打印后几乎不需要特定的机加工和工具来处理对象，因此金属 AM 可以在几天而不是几周内创建零件。

通过 CMTC 在您的加利福尼亚工厂中利用增材制造技术

金属增材制造听起来像您的制造业务可以利用的技术吗？像任何新技术一样，总会有一些学习曲线。这就是为什么在我们的金属增材制造工艺类型指南中，我们深入研究了上述所有工艺的内部工作原理、使用的材料以及每种工艺的优缺点。

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