三维打印 在航空航天、医疗和汽车等行业，使用金属粉末的增材制造技术正在掀起一场制造革命。这种先进的快速成型制造技术通过选择性地熔化多层精细金属粉末，可直接根据三维 CAD 数据制造复杂的金属零件。
本综合指南将探讨金属粉末三维打印的各个方面，帮助您了解该技术及其应用。
金属粉末三维打印概述
金属三维打印，又称直接金属激光烧结（DMLS）或选择性激光熔融（SLM），是一种增材制造工艺，它使用高功率激光将精细金属粉末熔融成实体三维物体。
3D 打印机利用铝、钛、镍合金和不锈钢等粉末状金属材料逐层制造金属零件。该技术提供了无与伦比的设计自由度和传统制造无法比拟的令人印象深刻的材料特性。
有关金属粉末三维打印的主要详细信息：
| 参数 | 详细信息 |
|---|---|
| 技术 | 利用激光选择性熔化金属粉末的粉末床熔融工艺 |
| 材料 | 铝、钛、镍、不锈钢、钴铬合金、贵金属 |
| 硬件 | 配备高功率激光器、粉末床和耙系统的 3D 打印机 |
| 过程 | 撒上薄薄一层粉末，用激光选择性地熔化，然后逐层添加以制造零件 |
| 属性 | 强度高，材料分布均匀，内部几何形状复杂 |
| 应用 | 航空航天、医疗植入物、汽车、工具、珠宝 |
| 益处 | 设计自由度、减轻重量、部件整合、快速成型 |
| 局限性 | 设备成本高，尺寸有限，需要后期处理 |
与数控加工等传统减材技术相比，这种快速成型制造方法具有诸多优势，如设计自由度更高、部件整合、快速原型制作以及重量显著减轻。三维打印复杂金属部件的能力正在推动各行各业的关键创新。
金属粉末三维打印工艺
有几种类似的粉末床熔融技术可用于金属三维打印：
金属粉末床融合工艺
| 过程 | 详细信息 |
|---|---|
| 直接金属激光烧结（DMLS） | 利用激光在惰性气体环境中选择性熔化金属粉末 |
| 选择性激光熔融（SLM） | 与 DMLS 非常相似，将粉末完全熔化成固体部件 |
| 电子束熔化（EBM） | 使用电子束而不是激光，以提高制造率 |
| 选择性激光烧结（SLS） | 在不完全熔化的情况下将粉末凝结成固体部分 |
| 直接金属激光熔化（DMLM） | DMLS 工艺的另一个术语 |
| 激光切割 | 概念激光公司开发的工艺 |
| LASFORM | DMG MORI 流程 |
最常用的技术是 DMLS 和 SLM。这两种技术都使用高功率掺镱光纤激光器来完全熔化金属粉末，以便根据 CAD 数据制作 3D 物体。
SLM 和 DMLS 的主要区别在于，SLM 的目标是实现部件的完全熔化和致密，而 DMLS 生产的部件可能在粉末颗粒之间存在一些孔隙。不过，这两个术语经常互换使用。
电子束熔化（EBM）使用的是电子束热源，而不是激光，因此制造速度更快。但 EBM 只能用于钛和镍合金等导电材料。
选择性激光烧结（SLS）使用较低的温度将粉末熔化成固体零件，而不达到完全熔点。这样可以生产出更多孔的金属零件。
用于粉末床三维打印的金属材料
一系列金属和合金可被加工成细粉，用于粉末床熔融三维打印技术：
用于粉末床三维打印的金属
| 材料 | 详细信息 | 应用 |
|---|---|---|
| 钛 | 高强度重量比，生物相容性好 | 航空航天、医疗植入物 |
| 铝质 | 重量轻、强度高 | 汽车、航空航天 |
| 镍合金 | 耐腐蚀、高强度 | 航空航天、海洋 |
| 不锈钢 | 耐腐蚀、硬度高 | 工业工具、模具 |
| 钴铬合金 | 生物相容性好，耐磨 | 牙科、医疗植入物 |
| 贵金属 | 珠宝、耐用性 | 珠宝、奢侈品 |
| 工具钢 | 耐热性、硬度 | 金属成型、注塑模具 |
| 合金钢 | 高强度、抗冲击 | 工业耐磨部件 |
使用最广泛的金属是钛合金和铝，因为它们具有很高的强度重量比。惰性镍合金（如铬镍铁合金）在航空航天应用中很受欢迎。不锈钢和工具钢粉末可制成具有出色硬度和耐磨性的耐用金属零件。
金、银和铂金等贵金属可以直接 3D 打印珠宝和奢侈品。定制医疗植入物通常使用钛或钴铬等生物相容性合金。
用于 AM 的金属粉末是通过气体或水雾化技术生产出来的，颗粒大小精确，最适合粉末床打印分辨率。
金属粉末床三维打印的应用
金属快速成型技术可以生产复杂的轻质部件，应用于航空航天、医疗、牙科、汽车和工业领域。
金属粉末床 3D 打印的行业应用：
| 行业 | 应用 | 益处 |
|---|---|---|
| 航空航天 | 飞机部件、涡轮机、火箭部件 | 重量减轻，几何形状优化 |
| 医疗 | 骨科植入物、手术器械 | 生物相容性、个性化 |
| 汽车 | 轻质部件、定制工具 | 更快的发展和整合 |
| 工业 | 注塑模具、夹具、固定装置 | 优化的保形冷却 |
| 珠宝 | 戒指、吊坠、手表 | 独特的几何形状，金色/银色 |
| 牙科 | 牙冠、牙桥、矫正器 | 量身定制，快速生产 |
在航空航天领域，金属 AM 正被用于制造更轻的飞机结构部件，如具有优化强度-重量特性的钛支架和不锈钢起落架部件。
该技术是定制医疗植入物（如髋关节）的理想选择，它能与患者的解剖结构相匹配，并更好地分散负荷。金属打印技术通过部件整合和轻量化优化设计，简化了汽车制造流程。
对于注塑成型等行业来说，在模具中使用 3D 打印保形冷却通道可显著提高生产率。珠宝商利用该工艺制造出独一无二的贵金属珠宝。
金属粉末床三维打印的优势
从原型到最终使用的生产部件，与机械加工或金属铸造等传统制造工艺相比，金属 AM 具有显著优势：
金属粉末床三维打印的主要优势
- 设计自由度 - 创造出减法无法实现的复杂有机形状和内部晶格
- 更快的工艺 - 无需工具的快速成型工艺，浪费少 - 直接从 CAD 到金属零件
- 减轻重量 - 优化拓扑结构，使金属组件更轻、更坚固
- 部件合并 - 将装配体合并为单一 3D 打印部件，减少制造步骤
- 快速原型开发 - 在开发过程中快速测试金属零件设计
- 定制部件 - 轻松定制医疗植入物和其他金属部件
- 高强度 - 压印金属零件可与铸造等传统方法相媲美
- 减少库存 - 按需打印金属备件，无需预生产
- 减少废料 - 添加工艺的材料废料率低于 5%
金属 AM 部件的优化特性，如模具中的保形冷却通道或植入体中的复杂晶格结构，是无法通过铣削或铸造工艺制造出来的。
与需要大量模具、加工和装配的减材方法相比，直接从 CAD 数据打印复杂或定制的金属零件还能最大限度地减少生产步骤。这极大地节省了时间和成本，是小批量生产的理想选择。
金属粉末床印刷的局限与挑战
尽管金属粉末床三维打印有很多优点，但在采用时也要注意一些局限性：
金属粉末床三维打印的局限性
- 机器成本高 - 金属 3D 打印机的起价约为 $100,000 美元。大型系统超过 $1M
- 部件尺寸受限--目前制造体积小于 500mm x 500mm x 500mm
- 后期处理 - 去除支撑物和表面处理的额外劳动
- 各向异性材料--机械性能随构建方向不同而变化
- 所需标准 - 对于航空航天和医疗，缺乏粉末和工艺标准
- 材料选择有限 - 可供选择的合金比铸造或 MIM 粉末冶金少
- 孔隙问题 - 根据参数的不同，工艺可能会产生微小的内部孔隙
- 未使用粉末管理 - 金属粉末处理、回收要求
打印机成本和构建尺寸的限制可能会使金属 AM 的应用局限于相对较低的产量。支撑结构和构建板悬垂也需要机械加工等后处理。
随着材料、工艺和粉末处理行业标准的不断发展，这些标准也被广泛应用于监管严格的领域。目前，只有部分金属合金可作为优化的预合金粉末用于 AM。
各向异性的材料特性，即在 X/Y 和 Z 构建方向上的强度不同，需要在设计和加工过程中进行补偿。此外，还必须通过调整理想的加工参数来减少内部空隙或气孔问题。
金属粉末床 3D 打印工艺
金属粉末床熔融 3D 打印工艺包括铺设薄层金属粉末，然后选择性地熔化金属粉末来制造零件：
金属粉末床融合 3D 打印工艺：
| 步骤 | 说明 |
|---|---|
| 1.三维模型 | 将 CAD 模型进行 3D 分层 |
| 2.撒粉 | 机器涂抹金属粉末薄层（~20-100μm） |
| 3.激光熔化 | 高功率激光选择性地熔化粉末，从而熔化层 |
| 4.下床 | 降低模板，在上面铺上一层新的粉末 |
| 5.重复步骤 | 重复步骤 2-4，直至完成整个部分的构建 |
| 6.拆除部件 | 未熔化的粉末支撑部分，然后拆除 |
| 7.职位流程 | 额外的清洁和表面处理 |
这一过程以 3D CAD 模型（通常为 STL 格式）为起点，由切片软件进行处理。该软件将模型切成若干层，基本上为每一层创建二维轮廓，并为打印机生成构建指令。
打印机使用刮板系统在粉末床上铺上一层薄薄的金属粉末。然后，激光束在该层上划过，根据该层的轮廓选择性地熔化金属粉末。
高功率激光将金属颗粒完全熔合成一个凝固层。然后，构建板下降，让下一层新鲜粉末铺满上一层，整个过程重复进行，直到从下至上构建出完整的三维物体。
任何未烧结的粉末都会在制作过程中起到支撑作用。打印完成后，只需将这些粉末刷去，就能看到完成的金属部件。通常还会进行一些机械加工或表面处理，以平滑 3D 打印表面。
粉末床融合打印机硬件
专业金属 3D 打印系统采用粉末床熔融技术处理金属粉末。核心部件包括
粉末床融合打印机组件：
| 组件 | 说明 |
|---|---|
| 激光系统 | 用于熔化金属粉末的高功率光纤激光器 ~100-400W |
| 粉床 | 金属粉末薄薄地铺在活动床上 |
| 粉末分配器 | 将粉末均匀地撒在床上 |
| 粉末收集 | 收集多余的粉末以便重复使用 |
| 惰性气体流量 | 充满氩气或氮气的密封舱 |
| 构建板 | 层叠印刷时降低 |
| 光学系统 | 在粉末床上聚焦和引导激光束 |
| 控制系统 | 协调控制激光、光学和粉末床 |
要将金属粉末完全熔化并熔成致密部件，需要使用高功率掺镱光纤激光器。必须严格控制激光能量密度和聚焦，以达到理想的熔池和粘合效果。
激光聚焦到粉末床上约 10 微米的位置，以描绘出每个连续层的几何形状。Galvo 镜式光学系统可在粉末床上精确地引导激光。
金属粉末由耙式系统从粉盒中计量，并以约 20-100 微米的厚度均匀地撒布在印刷区域。粉末从系统的前端喷出，多余的粉末从后部收集。
氩气或氮气等惰性气体充满构建室，以防止铝或钛等活性金属氧化。整个系统由集成了激光、粉末床和其他执行器的专用软件控制。
粉末床融合工艺参数
要生产出高质量的金属零件，优化粉末床熔化的各种工艺参数至关重要：
关键的粉末床融合工艺参数：
| 参数 | 典型范围 | 对部件质量的影响 |
|---|---|---|
| 激光功率 | 100-400W | 影响熔池大小，控制粘结力 |
| 光束尺寸 | ~50-100μm | 焦斑尺寸影响分辨率和精度 |
| 扫描速度 | 高达 10,000 毫米/秒 | 更快的扫描速度会影响热梯度 |
| 舱口间距 | ~50-200μm | 扫描轨道之间的距离、密度 |
| 层高 | 20-100μm | 更薄的涂层可提高分辨率和表面光洁度 |
| 粉末层 | 20-50μm | 粉末层的均匀性和厚度 |
| 模板温度 | 60-200°C | 预热可减少应力和卷曲 |
激光功率必须足够大（通常为 100W 至 400W），才能将金属粉末颗粒完全熔化成固体零件。但功率过大会产生键孔效应。
激光扫描速度越快，生产速度越快，但会产生更多的残余应力和材料各向异性。舱口间距设定了相邻扫描轨迹之间的距离。
20-50 微米左右的较薄粉末层可提高分辨率、精细度和表面光洁度。预热构建板也有助于减少应力。
参数优化针对的是粉末材料、激光光学、惰性气体流量和其他相互依存的因素。需要进行微调才能获得理想的设置。
金属 AM 零件的后处理步骤
使用粉末床熔融技术打印复杂的金属零件后，通常还需要进行额外的后处理：
金属 AM 零件的常见后处理步骤：
- 支架拆除 - 使用振动、喷砂等方法拆除未烧结的粉末支架。
- 热应力消除 - 对零件进行退火处理，以消除加工过程中产生的内应力
- 表面加工 - 铣削、车削、磨削等光滑表面的传统方法
- 热等静压 - 利用高温高压提高材料密度
- 热处理 - 利用受控加热和冷却循环改变微观结构
- 表面处理--涂抹涂层、抛光处理，以获得所需的表面特性
使用振动、珠子或空气喷射和真空吸力等综合方法，小心地清除支撑粉末。这些粉末通常可以过筛后再次使用。
退火热处理有助于缓解激光熔化过程中强烈的局部加热所产生的应力。额外的表面加工可提高尺寸精度和表面光洁度。
在某些应用中，热等静压可通过在高温下施加均匀的气体压力，进一步提高部件的密度。这样可以最大限度地减少印刷后部件的孔隙。
通过固溶、时效或其他针对合金的热处理，可获得所需的材料微观结构和性能。抛光和涂层等其他表面处理步骤可提供所需的表面特性。
用于增材制造的工业金属粉末
专门开发的金属粉末可在粉末床熔融三维打印过程中提供理想的流动性、堆积密度和激光吸收等特性：
金属粉末特性和生产方法
| 粉末财产 | 典型规格 | 生产方法 |
|---|---|---|
| 尺寸范围 | 15-45 μm | 惰性气体雾化 |
| 形态学 | 球形 | 产生良好的粉末流动和填料 |
| 杂质 | <100 ppm O2 | 保持合金的机械性能 |
| 表观密度 | 材料密度高达 80% | 表示粉末包装和撒布 |
| 流量 | 霍尔流量计 >15s/50g | 确保在印刷过程中顺利铺粉 |
要实现高分辨率印刷、良好的表面光洁度和足够的流动性，就需要 15-45 微米左右的精确粒度分布。球形粉末形态可使粉末在床面上顺利进料和铺展。
化学纯度对于实现预期的印刷材料性能至关重要。任何氧化或污染都会降低强度和延展性。
根据 ASTM B213 标准，使用霍尔流量计漏斗测试流速。要获得一致的粉末层，需要高于约 4 g/cc 的良好表观粉末密度。
气体雾化和水雾化是生产球形金属粉末的常用技术，可满足增材制造的要求。粉末经过筛分，以确保粒度均匀。
选择金属粉末床三维打印服务
选择合适的金属 AM 服务供应商是获得高质量打印零件的关键。以下是需要考虑的因素：
如何评估和选择金属三维打印服务
- 经验 - 看是否有多年专门从事金属 AM 的经验，以评估专业技能
- 材料 - 确保供应商提供所需的金属，如钛、工具钢和贵金属
- 工件尺寸 - 根据所需的工件尺寸选择制造量服务
- 质量流程 - 应在所有阶段遵循严格的质量控制协议
- 后处理 - 看供应商是否能提供二次精加工，如数控加工
- 应用专长 - 对于航空航天、医疗等高度规范的行业非常重要
- 认证 - 查看流程的 ISO 和行业特定认证
- 客户服务 - 响应迅速的技术支持团队对设计和应用建议至关重要
- 交货时间 - 了解典型的交货时间和紧急订单的选项
- 定价 - 将材料和几何形状的复杂性、后处理、数量等因素考虑在内
- NDA/IP 保护 - 您的专有设计数据应受到合同保护
评估印刷机、材料、质量流程以及真空室或特殊后处理等任何特殊功能复印件
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金属 AM 部件设计指南
要充分利用金属快速成型制造的优势，设计应遵循 DfAM（快速成型制造设计）原则：
关键金属 AM 设计指南：
- 优化晶格结构以减轻重量
- 将组件合并为单一的复杂部件
- 设计内部功能，如保形冷却通道
- 使用机械加工无法实现的有机、自由形状
- 尽量减少悬挑，设计有角度的支架
- 调整方向，降低部件高度，避免大面积平坦区域
- 设计螺纹孔，避免支架拆卸问题
- 在易产生气孔的薄壁上增加厚度
- 补偿不同方向的各向异性材料特性
- 在有益的表面设计可控孔隙率
在 3D 打印时，具有较薄构件的复杂晶格结构可在保持强度的同时减轻重量。与传统制造相比，将组件整合为单个部件是一大优势。
冷却通道和其他有用的内部空隙不再需要钻孔，而且可以遵循最佳的有机路径。通过倾斜的格子或斜面设计，可以避免容易下垂的悬垂。
在打印过程中，零件定向应尽量减少 Z 高度，以减少残余应力。易产生气孔的薄壁可能需要增加厚度，以达到目标材料密度。
金属 AM 的成本建模和经济性
确定金属添加剂在经济上是否可行取决于对所有成本的评估：
金属粉末床 AM 的成本因素：
- 机器折旧 - 将打印机的高成本分摊到整个使用寿命中
- 材料成本 - 粉末金属的成本在 $100-$500/kg 之间
- 人工 - 操作员人工、设计、后期处理
- 能耗 - 高功率激光器和其他系统需要大量电力
- 生产速度 - 基于参数和机器限制的每小时打印量
- 后处理 - 加工、精加工步骤增加了停机时间和成本
- 设施成本 - 所需的粉末处理系统、惰性气体、空间
- 质量控制 - 在生产过程中对部件进行测试，并对工艺进行鉴定
- 安全性和合规性 - 对于受管制的应用，需要大量的文档资料
金属印刷机的高成本意味着要评估机器的终生使用情况，以便通过提高产量实现最佳利用率。材料成本也很高，尤其是特殊合金。
所有劳动力都必须计算在内，包括操作员、工程师、设计师和质量技术员。能源消耗高。后处理停机会降低生产速度。
对于航空航天和医疗应用而言，文档和质量体系等合规成本非常高。仔细的成本建模可确定金属 AM 的成本效益。
金属增材制造的趋势和未来
金属粉末床熔融技术正在迅速发展和应用：
金属粉末床 3D 打印的未来趋势：
- 更大的建造体积 - 正在开发的机柜体积超过 500 立方毫米
- 更快的构建速度 - 改进的扫描策略和多激光系统
- 新材料选项 - 更多合金，如 F357 铝和 M300 马氏体时效钢
- 混合制造--将印刷、铣削和检测整合到单一系统中
- 自动化粉末处理 - 用于粉末管理的闭环回收系统
- 新应用 - 扩展到石油和天然气、电子领域
- 系统成本下降 - 随着时间的推移，工业化将降低打印机成本
- 改进材料性能 - 通过工艺改进和 HIP 密度提升
- 扩大冶金 - 改进微观结构和性能的表征
- 行业标准 - 用于航空航天和医疗领域的工艺和材料质量
更大的制造量可实现更复杂、更大批量的生产。多激光光学系统可显著提高制造速度。
闭环粉末处理系统将实现回收和再利用自动化，同时提高质量和安全性。每年都会推出新的异种合金选择。混合制造结合了增材制造和减材制造工艺，可实现完整的就地加工。
随着技术的成熟，成本的下降将继续扩大应用范围。进一步的材料研究和基准测试将扩大加工合金的范围并提高材料性能。行业标准方面的大量工作旨在加快航空航天、医疗和汽车领域的应用。
结论
本指南涵盖金属粉末床熔融三维打印的主要方面，从打印工艺和材料到应用、优势、限制和趋势。
金属快速成型制造技术凭借其独特的功能，正在为各行各业带来颠覆性的创新。该技术可减轻重量、整合零件、自由设计、快速成型和定制金属零件生产。
尽管在打印机成本、构建尺寸限制、后处理和材料选择等方面存在限制，但在航空航天、医疗、汽车和工业领域，金属 AM 的应用正在加速，关键任务应用的范围也在不断扩大。
不断改进的工艺、新材料、更大的构建量、混合系统、自动化粉末处理以及不断下降的成本将推动金属三维打印技术在终端生产部件中的广泛应用。本指南介绍了这一变革性制造技术的现状和发展轨迹。
关于金属粉末三维打印的常见问题
以下是有关金属粉末床熔融快速成型制造的一些常见问题的答案：
问：使用金属粉末床融合技术可以 3D 打印哪些材料？
答：常见的合金包括钛、铝、镍、不锈钢、工具钢、钴铬合金、金银等贵金属以及铜。新型合金也在不断开发中。
问：目前哪些行业使用金属 AM？
答：航空航天、医疗、牙科、汽车、石油和天然气、工业机械和珠宝是金属 AM 的主要应用领域。该技术是复杂、小批量零件的理想选择。
问：金属粉末床 3D 打印的精度如何？
答：根据参数和后处理，尺寸精度可达 ±0.1-0.2%，更精细的分辨率可达 ±50μm 左右。
问：金属 AM 需要任何特殊设施吗？
答：印刷时需要惰性气体环境，通常是氩气。还建议使用带通风和筛分功能的粉末处理系统。不需要其他特殊设施。
问：影响表面光洁度的因素有哪些？
答：层高、激光参数、粉末粒度分布以及抛光等后处理都会影响表面光洁度。Ra 值可低于 10 μm。
问：是什么决定了机械性能？
答：合金成分、粉末质量和形态、工艺参数、热处理和 HIP 都会影响最终印刷金属零件的性能。
问：金属粉末床印刷的成本有多高？
答：打印机系统的价格从 $100,000 到超过 $1,000,000 不等。材料成本因合金而异，一般为 $100-$500/kg。运营成本也很高。
问：中型零件的印刷需要多长时间？
答：根据部件的几何形状、材料、参数和打印机型号，构建速度通常为 5-20 立方厘米/小时。鞋盒大小的零件可能需要 5-15 小时。
问：金属打印机能打印多大尺寸的零件？
答：目前的最大制造体积约为 500 x 500 x 500 毫米，但更大的系统正在开发中。较大的部件可以分割成多个。
问：金属 AM 后需要进行哪些后处理？
答：去除支撑、消除应力、机加工、钻孔、表面精加工、热处理，有时还包括热等静压。