企业选择适合的金属3D打印技术只需五步

【编者按】增材制造 (AM) ，又称 3D 打印，以 21 世纪第一次制造革命的姿态出场，其与由毛胚去除多余材料的减式制造法不同，金属 AM 以一层一层的方式建立功能性最终产品或产品特性。在选择合适的金属3D打印机之前，有5件事需要考虑，了解以下内容，就可以先选出适合自己企业应用需求的增材制造技术了。

增材制造 (AM) ，或称 3D 打印，以 21 世纪第一次制造革命的姿态出场，其与由毛胚去除多余材料的减式制造法不同，金属 AM 以一层一层的方式建立功能性最终产品或产品特性。此堆积法较减式制造法提供许多优点，包括增加设计弹性、改善最终产品的效能、减少上市时间、降低制造成本及延长产品寿命等。这些优势驱动 AM 技术广泛应用于产品的生命周期，由新产品开发，至少量制造，至产品修理。扩展阅读：3D工业打印机最新技术与应用专题

使用粉末金属 AM ，新产品可以利用减式制造法难以或无法达致的材料性质及几何形状制得。崭新的材料可以藉由掺合两种或多种粉末以形成新的合金及复合物而制得，以面对特定的设计挑战。粉末的组合甚至可以在建造的过程中逐渐改变，以建立功能分级的材料，来避免腐蚀、疲劳、断裂及应力破裂。

不锈钢电子外壳，全铸造件的建造时间为 52 周，先机造基础外壳再以 AM 在外壳上直接堆积垂直细节的建造时间降低至 3 周。另外， AM 技术可用于 3D 打印具有内部孔洞的金属零件，例如，冷却通道。AM 法亦可制造具有极佳机械性质的零件。欧洲航空防卫及航天公司 (EADS) 进行一项高循环疲劳试验计画，以评估利用 Optomec LENS 3D 印表机制得之钛样品的性质。EADS 发现样品的机械性质通常等同于锻造金属并且其疲劳性质符合航太标准。多个机构也对其他 LENS 3D 打印的金属进行测试，包括不锈钢及超合金，例如英高镍 (Inconel) 。

传统的减式制造法通常涉及数个分段的步骤，以及相关的资本设备及物流需求，而 AM 则可以单一连续步骤制得所欲组件或产品特性的本体，因此降低整个操作数量及节省循环时间与成本。同时，因为 AM 法是以 3D CAD 模型直接驱动，原型化或制造时不需使用工具处理，所以可进一步降低新设计或设计改版的成本及上市时间。此外， AM 法仅在需要的地方沉置材料，所以可以减少浪费。这对使用较高价值的材料（例如，钛及超合金）尤其重要，因为该领域特别重视材料的有效使用。

航天业以BTF(Buy-To-Fly) 比率定义材料效率，其为原毛胚重量对完工零件重量的比率。据天 工社所知，使用传统的减式制造法，飞机引擎制造商表示简单零件有高至 85% 的材料浪费，而复杂零件的材料浪费更高达95% ，因此，飞机引擎制造商特别想要使用节省材料的AM 法来制造这些高价值的组件。有些公司甚至将AM 法与减式制造法结合成混合制造法，以充分利用各方法的优势，例如，建造不锈钢电子外壳所需要的时间，由传统全铸造件的 52 周降低至 AM 法的 3 周。

AM亦用于延长产品寿命及修复受损的现役零部件，例如，位于美国阿拉巴马州的Anniston陆军补给站使用AM技术修理Abrams M1坦克的引擎组件，M1坦克引擎（例如，Honeywell AGT1500）在沙漠环境中工作，因此会经历极端的磨损，而需要较短的维修周期。因为高温焊接过程所引起的变形效应，使得AGT1500引擎组件难以传统方法修理，如果使用AM法修理，高度集中的雷射光可将能量及粉末化金属准确送至待修区域，因此可以降低热影响区域（Heat Affected Zone，HAZ），而能修理这些引擎组件。

涡轮机引擎组件的修理通常是针对遭受磨耗损害的翼形区域（例如，尖端）或未施加有效疲劳负载的区域（例如压缩机叶片的某些前缘区域）实施。因为组件设计的趋势移往整合叶片转子（Integrally-Bladed-Rotors，IBRs）或桨盘（Blisks或Blade/disk），以降低重量及改善引擎效能，这些组件的修理变成重大议题。在传统的桨盘中，如果转台（Stage）的一个叶片损坏或磨损，其可以合理的价格更换。

材料      使用LEN吹粉系统的价格（美金/kg）    使用传统粉末床系统的价格（美金/kg）

Ti-6-4            220-380                             　贵2倍以上

不锈钢             16-25                                贵8倍以上

英高镍(Inconel)       90                                贵2倍以上

粉末床金属增材制造(AM)系统的粉末通常仅能由系统供应商提供，其价格通常较吹粉AM系统等量材料贵2-8倍，另外，系统供应商通常会要求大约10kg的最小购买量，使得以粉末床系统建造相同零件的成本明显要高的多。

但是，据了解，如果一个桨盘的翼形损坏或磨损，必须更换整个转台，价格相当贵，桨盘的预估制造成本为美金100,000至500,000元。因此，其面临的挑战是开发有效的修理技术，确保所有的翼形均可修理。在龙头航天制造商进行多年的制程开发及独立测试后，AM衍然成为修理桨盘的较佳解决方案。

因为AM的应用广泛，工业界对该技术的兴趣正快速增加，相关制程在许多产业（包括航天、国防、能源及医疗设施等）中被开发及验证。粉末法是目前最常使用的金属3D打印，也有使用线状原料的金属AM系统，与粉末系统相较，其能以较快的速率沉置材料，但因为需要高能量热源来熔化线材，所以会增加变形的风险。

两种最为人习知用于建造零件的粉末AM技术为”粉末床法”及”吹粉法”，各有其优势。在粉末床系统中，雷射将一床金属粉末选择性熔化并一层层累积成实体零件，在第一层粉末散布及烧结后，该床再填入第二层粉末并选择性烧结，重覆此步骤直到零件完全形成，因为最终成品是埋在粉末膏中，在多余的粉末未去除前，无法看到。在吹粉系统中，制程持续将粉末经由喷嘴吹向高能雷射或其他热源（例如，电子束）的焦点，生成的熔融金属池再利用运动控制系统移动，并在自由空间组立零件，当零件一层层形成时，整个过程都看的到。

粉末床法适合制造小而复杂的零件，其可以得到较佳的表面加工。吹粉法适合将材料加至现有的零件（例如，进行修理或混合制造）及建造较大的零件，其可以制得具有优异机械性质的零件。对建造小的金属组件而言，粉末床机器可用于许多方面，除非须使用功能分级的材料或所要的材料不是粉末床系统常用的材料。建造大的零件或者修理磨损或不良的金属组件，应该考虑诸如Optomec提供的吹粉机器。

另一个重要的考量是想要什么金属及粉末的价格，例如，Optomec’s LENS 3D打印机常用的材料包括工程合金，如不锈钢、工具钢、钛合金及钴合金，另外，该打印机也可以处理多种更为异类的材料，如某些陶瓷及耐火金属，因为许多供应商都有卖这些粉末，所以价格得以降低。

粉末床系统所用的粉末通常仅能由系统供应商提供，其价格通常较吹粉AM系统等量材料贵2-8倍，另外，系统供应商通常会要求大约10kg的最小购买量，使得以粉末床系统建造相同零件的成本明显要高的多。

在与金属3D打印机的供应商洽谈之前，有5件事需要考虑，回答这些问题，就可以先选出适合自己应用需求的AM，不论是粉末床法或吹粉法。

1、单位需要什么样的增材制造(AM)？

a、快速原型或少量制造

－考虑粉末床或吹粉系统

b、快速原型、少量制造、新合金开发、混合制造、再制或现役零件修理

－考虑吹粉系统

2、需要建造什么样的零件尺寸？

a、建造体积250mmX250mmX250mm的小零件

－考虑粉末床系统

b、建造体积900mmX1500mmX900mm的小零件及大零件？

－考虑吹粉系统

3、想要使用什么材料？

a、铝、钴铬黄、麻时效钢（Maraging Steel）、镍合金、不锈钢或钛

－考虑粉末床系统

b、铝、钴铬黄、麻时效钢（Maraging Steel）、镍合金、不锈钢、钛、工具钢、钴、碳化物，陶瓷或复合材料

－考虑吹粉系统

4、金属复合材料或分级金属结构是否可提高设计价值？

a、否

－考虑粉末床或吹粉系统

b、是

－考虑吹粉系统

5、材料性质对应用的重要性有多大？

a、有些重要

－考虑粉末床或吹粉系统

b、非常重要

－考虑吹粉系统

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