激光金属打印：精密零件制造关键要点

精密零件制造已就绪迎接 3D 打印？

金属 3D 增材激光打印常见新闻。您可能想：Metal Cutting Corporation 何时谈激光打印？毕竟我们常谈制造金属零件的其他方法。

Metal Cutting 制造极小零件，例如此处常 1 mm（0.039"）× 2 mm（0.079"）尺寸，且大批量生产。这些零件通常无复杂特征或内部空腔。可能是管也可能实心。

所以我们问 3D 激光打印专家：能用金属 3D 激光打印生产如此大量如此小零件吗？

金属 3D 激光打印基本方法

先快览金属增材激光打印三大主要方法。

直接金属激光烧结（DMLS）

最流行方法基本将 2D 设计熔融到平铺粉末床，融合粉末再逐层堆叠构建物体。DMLS 实现此前不可能设计。但工艺极慢、冶金性能虽接近但非每例等同传统制造。DMLS 也称选择性激光烧结（SLS）或选择性激光熔化（SLM）。

定向能量沉积（DED）

此送粉法中，高浓度金属粉末流经挤出机缓慢释放，遇激光熔融，在零件表面形成层。DED 对金属 3D 激光打印高精度，也用于修复断裂零件。称激光金属沉积（LMD）。

金属粘结剂喷射

此法将液体粘结树脂喷涂粉末金属材料。层实际上“粘合”在一起，再经高温窑烧结。此法比前两者快、便宜；但结果强度、致密度远不如 DMLS 或 DED。

激光打印金属的应用

金属激光打印在多应用流行。含原型到各行业功能部件、珠宝厨具等日用品大规模定制生产。

金属激光打印在牙科和骨科植入应用高度流行。允许产品定制满足个体患者需求。（详见博客《3D 打印医疗器械金属零件抛光》。）金属激光打印也广泛用于航空航天。如下一代 LEAP 喷气发动机有 3D 打印燃油喷嘴。

常见误区

金属 3D 激光打印易生错误假设。虽听起来傻但须记：产品用 3D CAD 建模设计不代表“3D 打印就绪”；3D 激光打印工艺需独特后处理。

同任何制造法，所用特定材料属性也须考虑。例如假设激光打印金属替代金属铸造。相反，激光擅长不能铸造的独特复杂零件。3D 激光打印金属物体属性与“同”物体金属铸造属性不同。

此外，为 CNC 铣削等工艺设计的零件激光打印极贵。因减材零件质量体积大，设计未针对 3D 制造固有优势优化——本质上空腔和轻量高强结构。

激光打印金属优势

工程师视角，金属 3D 激光打印最显著优势可能是：

• 生产减材加工不可能的全封闭空腔和其他特征
• 产生此前无法实现的非凡零件强度和轻量化设计结构

如航空业，飞机减重意味降低燃耗，轻量化是重要目标。

应用视角，最显著优势是 3D 增材激光打印带入从航空替换件到牙科冠桥、骨科假肢创新、当然整个原型业务的“大规模定制”。某些独特形状减材永不可能生产。即使能用机加工或铸造以更低单件成本生产，两者也无法想象接近 3D 激光打印金属实现的近乎即时交付时间。

金属激光打印也可减少生产过程废料。传统减材切割涉及去除材料创建形状，3D 激光打印金属仅添加所需材料达成形状。

只要金属粉末可得，3D 激光打印在可用金属方面灵活。含钛、不锈钢、Inconel、钴铬，及黄铜、铜、青铜、金银铂等贵金属。但虽惰性气氛 3D 打印挑战已克服，某些金属仍无法妥善退火。如钨虽可“构建”经 3D 打印，但所得钨金属块太脆不可用。

金属零件激光打印劣势

增材 3D 激光打印当然以成就不可能著称，但精度如何？3D 打印适合制造小精密金属零件吗？

看 DMLS，最成熟完善方法，驱动尺寸精度关键变量：

• 粉末颗粒大小
• 电梯步高间隔
• 激光束大小

各因素决定尺寸公差。大金属粉末颗粒致大步高。各粉末层高度同样决定可达公差。
可能最重要变量是激光大小。微小光束给更高精度，大光束产生更不精密尺寸。问题：更小激光束产生较少热——意味着完成工作更久。所以可得极精密/极小零件，但生产时间长得多。进而提高成本。

激光打印金属耗时其他方式。再看流行 DMLS，每零件有微小连接点，如悬挂门廊黄蜂窝的细丝。10,000 激光打印件意味 10,000 连接点须分离。通常用 EDM 完成；但无论用何法，做 10,000 次基本抵消增材大多优势。

现实是真正量产仍不可能用金属 3D 激光打印。这使其生产数万极小零件不切实际、高成本。此外，3D 打印机高前期成本：最新台式机至少 $100,000 旨在颠覆前颠覆者，钛等金属用受控气氛打印机超 $100 万，航空零件巨型机箱更高。高成本意味激光打印机提议应用须真正“增”独特价值以“减”传统金属制造法价值。

未来如何？

我们不想让您觉得固执抗拒变革。事实上，想向 New Lab 朋友 Scott Cohen 和合伙人 David Bell 致敬。他们知未来不亚于任何人，我们不怀疑 New Labs 某天会解决我们今见问题。

虽桌面级 3D 激光打印机发展——而非巨型工业机——将让技术更易获得，我们仍不见金属激光打印适合小精密零件大批量。此情形小机器不产出小零件。但当然，有一天我们可能被证明错！

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