金属增材制造：现代生产的关键洞察

自20世纪末商业化起步以来，增材制造已改变制造业。随着增材工艺持续席卷行业，金属增材制造（Metal AM）及其众多应用正走向生产制造前沿。

得益于开放材料平台和更快打印速度的新型金属增材设备发布，金属增材系统销售蓬勃发展，该细分市场预计到2024年将创造近40亿美元收入机会。随着金属增材制造进步，了解其优势及众多应用如何改变制造面貌至关重要。

快速链接：

• 金属增材制造历史
• 金属增材制造/3D打印工艺
• 金属增材制造技术
• 金属增材制造技术优势
• 借助CMTC在加州工厂应用增材制造

金属增材制造历史

增材制造工艺可追溯至20世纪80年代中期，当时引入更快产品开发方法。最初称为快速成型，该工艺能生产尺寸模型，更快创建原型测试模型配合和功能。

1987年，一种名为光固化立体成型（SLA）的新型塑料加工技术商业化，成为增材制造首项专利。有了SLA，制造商可用激光固化紫外光敏液体聚合物，比以往更快生产3D模型。这一增材工艺里程碑为制造商、工程师和设计师创造产品提供了前所未有的高效新机遇。

90年代初，其他聚合物基增材制造工艺商业化。1992年，选择性激光烧结（SLS）问世，用激光熔融粉末材料成固体。不久后，金属增材制造获专利上市。像其他增材工艺一样，该技术实现金属原型、产品和工具快速生产。金属增材工艺引入使通过烧结所选金属粉末制造金属零件成为可能，但最终材料更接近复合材料而非合金，因为低熔点材料现可与高耐受金属（如不锈钢）结合。

金属增材制造与3D打印工艺

增材制造通过逐层添加材料（金属、塑料或陶瓷）创建物体。增材制造可增强，某些情况下替代传统机加工、切削、车削、成型、铣削等“减材”制造工艺。

使用增材制造制作物体，先用CAD（计算机辅助设计）软件创建设计，或扫描待打印物体。软件将扫描转化为3D打印机逐层遵循的精确框架。

金属增材制造，即金属3D打印，将增材制造工艺专用于金属。通过逐层铺设金属粉末，配合能量源或粘结剂，可设计构建精密物体。得益于增材制造设备进步，几年前无法创建的物体现可用多种材料按新强度标准制造。

可用于增材制造技术的金属粉末范围持续扩大。常见金属材料包括不锈钢牌号、镍、钴铬、钛合金和铝。不断增加的构建材料让制造商能为物体精确规格和期望选择合适材料。

金属增材制造技术

金属增材制造方法可按连接金属的工艺分类，包括粘结剂、加热喷嘴或激光。以下是最常见金属增材制造技术。视所用技术，打印零件可能为净成形或近净成形。

激光粉末床增材

粉末床熔融（PBF）方法使用激光或电子束熔融烧结金属粉末成固体。此技术包含：电子束熔融（EBM）、直接金属激光烧结（DMLS）、选择性热烧结（SHS）、选择性激光熔融（SLM）。选择性激光烧结（SLS）是用激光作能量源烧结粉末材料的额外技术，但SLS常用聚合物而非金属。

无论哪种方法，所有激光粉末床技术都要求将金属粉末铺展在前几层上，通过辊或刮刀。此增材工艺最常用金属为不锈钢、钛、铝、钢、钴铬和铜。

金属粘结剂喷射

此金属增材制造方法类似二维喷墨打印机。金属粉末喷射到构建平台，用连续或按需滴落（DOD）方式打印物体。液体粘结剂逐层结合粉末，构建所需物体。刚打印零件初期脆弱，需后处理烧结和渗透强化。最终结果可选抛光或镀镍/金精加工。

粘结剂喷射独特优势之一是消除金属粉末熔融，避免残余应力积累。也是成本最低的金属增材制造技术之一。

片材叠层

此方法通过粘结、超声焊接或钎焊逐层连接材料片构建物体。片材叠层属低温工艺，可粘结不同材料。通常用于视觉和美学模型而非结构用途。

定向能量沉积

更复杂的3D打印工艺，顾名思义——聚焦能量源（如激光或电子束）照射构建材料熔化，同时逐层沉积。此技术常用于修复或向现有结构添加材料。定向能量沉积（DED）用加热喷嘴沉积熔融材料——通常为钛或钴铬——到指定表面固化。

金属增材制造技术优势

过去几十年，增材制造技术对整个制造业产生革命性影响。这种融合组件的能力——将零件作为单一单元打印而非多个需连接紧固的零件——减少材料浪费，通常提升产品整体质量和性能。除节省浪费优势外，金属增材方法还提供独特效益：

复杂性“免费”

使用传统减材制造工艺，零件设计复杂性增加导致成本显著上升，因需更多减材铣削、轮廓加工和精加工操作。使用增材制造，设计复杂性增加成本极少，往往降低零件成本。例如，棱柱零件——实心长方体——从近净成形毛坯铣削简单，需铣床少量通过，成本低。增材打印长方体需机器多次通过沉积所需材料堆叠形状，成本更高。但若零件为有机形状——如树根状支架——铣削可能需定制夹具、多次机床通过、多次换刀、大量刀具路径编码，成本高。用增材打印有机形状，刀具路径由软件自动创建，通过次数和沉积材料量大幅减少，零件成本更低。

消除额外成本

金属增材工艺比传统方法减少材料浪费。因原材料精确逐层构建，几无需从实体物体减去或削除碎片。仅使用所需材料并精确放置，使金属增材技术资源高效。此外，金属增材制造消除昂贵工装需求，为企业省钱省时。选择合适金属增材工艺，可获取多种材料满足特定生产需求。

广泛材料范围

材料性能和整体表现由化学成分、晶体状态和底层微观结构决定。这些特性迫使工程师选择特定应用材料时接受权衡。但因3D打印技术进步，这种妥协可能成为过去。过去制造商受限于金属增材可用材料，现在能用的金属粉末种类日益增多。常见金属材料包括：

• 不锈钢
• 钢
• 钛
• 铝
• 铜
• 钴铬
• 钛合金
• 镍合金
• 金
• 银
• 铂
• 钯

随着增材制造进步，可用金属粉末清单将继续扩大。

改进设计能力与拓扑优化

金属增材制造可创建原本需额外时间和零件的独特复杂结构。通过融合组件，物体现可作为单一单元生产，强度和效率更高，而非生产后再连接紧固多个零件。此外，自动化设计最新进展使财富应用产品生产成为可能。拓扑优化软件允许设计师指定零件参数，让软件基于所需结构、功能、热或其他性能定义架构。最终设计可更强、更轻、更韧、更耐自然力和外部条件。

缩短生产时间

金属增材制造著名优势之一是缩短产品从设计阶段到最终生产的时间，相比传统机加工。因3D打印后极少需特定机加工和工具处理物体，金属增材可在几天而非几周内创建零件。

借助CMTC在加州工厂应用增材制造

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