金属3D打印的初学者指南

金属3D打印正在迅速发展 - 更快地建立速度，更好的材料性能和更广泛的应用领域。本指南将向您展示如何充分利用金属添加剂制造（AM）：我们将讨论金属3D打印技术的主要类型，常见材料以及所有费用。我们还将比较金属AM与减法（CNC加工）和形成性（金属铸造）方法，因此您可以选择适合您的部分，预算和时间表的正确过程。

什么是金属3D打印？

类似于所有其他3D打印过程（例如聚合物3D打印），Metal 3D打印机通过基于数字3D设计的一次添加材料来构建零件，因此添加了添加剂制造。仅此一次，该过程使用金属粉末，电线或聚合物结合丝而不是塑料。

这样，可以使用传统方法制造的几何形状来构建零件，而无需使用诸如模具或切割工具之类的专业工具。同样重要的是，增加的几何复杂性对构建成本几乎没有影响，因此有机，拓扑优化的结构是实用的。最终的零件更轻（通常减轻了25％–50％的重量），并且通常更硬，这对于航空航天和其他高性能领域至关重要。

这种设计自由还可以使组件合并：多个组件，其所有紧固件，关节和泄漏路径都可以成为一次单一的印刷部分，可以立即执行多个功能。劳动力下降，交货时间缩小和维护更为简单，因为组装，对齐或服务较少。也就是说，与许多传统方法相比，金属3D打印仍然很昂贵，并且尚未在较高量的单位成本上竞争。

金属3D打印的简短历史

在1980年代后期，德克萨斯大学的卡尔·德卡德（Carl Deckard）博士开发了第一个激光烧结3D打印机，该打印机最初是为塑料设计的。这项技术成为选择性激光烧结（SLS）的基础，这种方法后来将扩展到金属3D打印。

1991年，MIT的Ely Sachs博士引入了一个3D打印过程，现在称为Binder Jetting。这种金属粘合剂喷射方法于1995年获得了授权。

1995年，德国的Fraunhofer研究所提交了第一项用于金属激光熔化的专利，该专利为当今的金属3D打印方法奠定了选择性激光融化（SLM）的基础。在此期间，EOS和各种大学等公司在进一步开发该技术方面发挥了关键作用。

由于设备和材料的高成本，金属3D打印在2000年代初期生长缓慢。但是，大约在2012年，随着SLM，DMLS和EBM等关键技术的专利开始到期，许可费下降了，为新竞争对手打开了大门。这一转变引发了创新，并吸引了GE，HP和DMG Mori等公司的重大投资，从而降低了成本并加速了各个行业的采用。

今天，根据优先研究报告，全球金属3D打印市场在2024年的价值为96.6亿美元，预计将从2025年的120.4亿美元增长到2034年的873.3亿美元，复合年增长率为24.63％。市场是由对快速原型制作，定制和复杂组件的需求以及航空航天和汽车部门不断增长的。

金属3D打印技术的类型

市场上有许多金属3D打印技术，但最广泛使用的四种是粉末床融合（PBF），粘合剂喷射，金属融合沉积建模（金属FDM）和有向能量沉积（DED）。从广义上讲，它们属于两种机制：融化和烧结。

PBF和DED融化金属原料（粉末或电线），具有高能源，如激光器，电子束或弧，可产生接近完全致密的部分。相比之下，金属FDM和活页夹首先用聚合物粘合剂创建了一个“绿色”部分，然后将其在熔点下方搅拌并烧结。最终密度通常低于完全融化的过程，并且几乎总是需要额外的后处理。

粉床融合（PBF）

粉末床融合（PBF）被广泛认为是最常用的金属3D印刷家族。其中，选择性激光熔化（SLM）和直接金属激光烧结（DML）已经使用了20多年了，是当今技术上最成熟的金属3D打印过程，其次是电子束熔化（EBM），另一种关键方法，特别是用于航空航天和医疗应用中的钛合金。

PBF工艺首先预热构建室，该室首先充满了惰性气体，达到最佳温度。然后，一层薄层的金属粉末散布在整个构建平台上。激光（在SLM和DML中）或电子束（在EBM中）针对粉末床，根据零件的设计有选择地熔化或融合粉末颗粒。颗粒融合在一起形成第一层，然后将平台稍微降低。一层新的粉末散布在上一个粉末上，然后按一层重复该过程，直到零件完全构建为止。

由于构建温度很高（许多合金通常> 1000°C），因此通常需要支撑以将零件固定到位并防止热应力扭曲。冷却后，去除多余的未倒粉（刷，爆炸或吸尘），并通过切割或切除支撑电线EDM。然后对该零件进行热处理以减轻残余应力并增强材料特性。最后，根据要求，该零件可能需要其他完成，例如CNC加工，抛光或其他表面处理，以达到所需的表面质量和尺寸精度。

常见粉末床融合方法的特征

这是三个主要PBF金属3D打印技术的详细比较表：

财产	选择性激光熔化（SLM）	直接金属激光烧结（DML）	电子束熔化（EBM）
能源	激光	激光	电子束
使用的材料	球形金属粉末具有单个熔化温度；包括铝合金，钛，不锈钢，工具钢和某些合金	带有变化熔点的球形金属粉末；包括不锈钢，钛合金，镍合金，贵金属和工具钢	球形金属粉末，例如钛合金，钴铬合金，镍超合金和其他高性能材料
过程	激光完全融化粉末以形成致密的零件	激光烧结（融化粉末，但没有完全液化）	电子束在真空环境中融化粉末
构建体积	通常小到中等（通过机器而变化）	通常小到中等（通过机器而变化）	与SLM/DML相比，通常可用的构建量更大
建立速度	中等（取决于激光功率和部分复杂性）	中等（随材料和零件大小而变化）	较慢（由于使用电子束和真空环境）
印刷零件属性	内部孔隙率小于0.2-0.5％；高密度和出色的机械强度	该部分性质类似于SLM，但由于烧结过程，轻微的孔隙率可能更明显	孔隙率通常很低，但由于构建速度较慢和过程中较大的层厚度，它可能比SLM略高
维度的准确性	±0.1 mm	±0.1 mm	±0.1 mm
典型的构建尺寸	250 x 150 x 150毫米 （最多500 x 280 x 360毫米）	250 x 150 x 150毫米 （最多500 x 280 x 360毫米）	500 x 500 x 380毫米或更大
常见的层厚度	20-50μm	20-50μm	50-150μm
支持	总是需要	总是需要	总是需要
典型的表面粗糙度	RA8-10μm	RA8-10μm	RA20-60μm
每部分费用	$$$$$	$$$$$	$$$$$$
关键应用程序	具有高几何复杂性（有机，拓扑优化结构）的零件需要出色的材料特性，以提高苛刻应用的效率	类似于SLM	需要强，弹性零件的高性能应用，尤其是在航空航天和医疗植入物中，需要钛合金和其他高强度材料

活页夹喷射

粘合剂喷射最初用于创建砂岩的全彩色原型和型号。随着时间的流逝，它在制造金属零件方面越来越受欢迎，尤其是由于其批处理生产能力。在金属粘合剂喷射过程中，一层金属粉末散布在整个平台上。然后，配备有喷墨喷嘴的马车然后通过粉末床，沉积结合剂的液滴（通常是聚合物和蜡的混合物），以将金属颗粒粘合在一起。一层层完成后，构建平台就会向下移动，并应用了新的粉末层。此过程重复直到整个部分构建。

金属粘合剂射流中的打印步骤发生在室温下，消除了诸如扭曲和内部应力之类的问题，这些问题可能会在DML和SLM等过程中发生。不需要支持结构。但是，印刷部分保持“绿色”状态，这意味着它仍然脆弱，需要进一步处理。

有两个常见的后处理步骤用于将“绿色”部分转化为完全固体的金属组件：

• 浸润：去除粘合剂后，该部分被认为是“棕色”，并且具有明显的内部孔隙度（约70％）。然后将“棕色”部分加热在具有低熔点金属（通常是青铜）的工业烤箱中，该烤箱填充了内部空隙，从而产生了BI金属部分。尽管这种方法可以提高强度，但今天的使用量较少，因为它的材料特性仍然不如完全烧结的零件，其机械性能和热性能没有得到充分的文献记载。

• 烧结：现在，首选的后处理，“绿色”部分放在炉子中，其中粘合剂被燃烧，金属粉末颗粒将其融合在一起，成完全致密的成分。该零件在烧结过程中通常会收缩约20％，因此零件打印稍大以补偿。

金属粘合剂喷射的特性

财产	金属粘合剂喷射
使用的材料	目前仅限于不锈钢（例如316L，17 4PH），工具钢（例如H13），青铜/铜合金和Inconel 625
建立速度	在所有金属3D打印技术中最快的；床通常密集地包装有许多小零件
印刷零件属性	烧结后〜1–2％残留孔隙度；拉伸强度与铸造金属相当，但由于内部空隙，疲劳寿命显着较低
维度的准确性	±0.2 mm（试验后±0.1）
典型的构建尺寸	250×175×200mm（高达400×300×200mm）
常见的层厚度	早期系统运行35–50µm，高吞吐量系统高达100µm）
支持	不需要
典型的表面粗糙度	Ra10–15µm作为烧结的零件
每部分费用	$$$（更快的构建，没有支持废物）
关键应用程序	低至中等的功能原型和复杂组件，其中吞吐量和单位成本比最大的机械性能重要

金属融合沉积建模（金属FDM）

金属挤出是塑料经典FDM过程的一种变体，但它使用了通常由聚合物和/或蜡结合在一起的金属颗粒组成的金属丝或杆，而是使用金属丝或棒，因此有时被称为细丝材料挤出。

该杆或细丝通过加热的喷嘴挤出，并逐层沉积，以基于CAD模型构建零件。同时，如有必要，建立支持结构。支撑与零件之间的接口用陶瓷支撑材料打印，以后易于手动删除。需要后处理所得的“绿色”部分，以使用类似（但不相同）的粘合剂喷射的步骤成为金属。首先将“绿色”部分浸泡或热处理，以去除大多数聚合物/蜡粘合剂（脱落），然后在炉子中烧结，因此金属颗粒将其融合成密集的，完全金属的碎片。在烧结过程中，零件在每个方向上缩小了大约15-20％，因此CAD模型会提前缩放，并且可能需要进行一些试验调整。

金属融合沉积建模的特性

财产	金属融合沉积建模
使用的材料	目前非常局限于316L，17 4PH，H13，铜/青铜合金和Inconel 625
建立速度	缓和;比粘合剂喷射慢，但是设置/迭代比SLM便宜，更简单
印刷零件属性	密度〜90–97％（髋关节最高〜98％）；拉伸强度大致含量/铸件，通常比锻造低20-40％；残余孔隙率降低疲劳强度
维度的准确性	典型±0.30mm;调音和收缩补偿后可实现的±0.15–0.20mm
典型的构建尺寸	250×220×200mm
常见的层厚度	100–200µm
支持	必需的
典型的表面粗糙度	RA 10–20µm在烧结的表面上
每部分费用	$$（低机/材料成本）
关键应用程序	功能性金属原型，自定义工具和一个关闭/低容量零件，成本和简单性比峰值性能更重要

定向能量沉积（DED）

定向能量沉积（DED）使用聚焦的热源，通常是激光，电子束或电/等离子体弧，在工件上创建一个熔体池，而金属粉末或电线被送入其中，用珠子用珠子进行建筑物材料珠。因为打印头可以自由移动（通常在多轴见或机器人上），并且不受粉末床的限制，因此DED非常适合修复或添加现有零件的功能，并产生大型的，近乎净形状的组件。贸易折扣是粗珠几何形状，粗糙的表面，粗糙的表面，粗糙的热量输入以及可以介绍驻留率的大量热量，因此通常需要居住式且均需进行热处理，以达到最终的良好的态度和固定量。

定向能量沉积的特征（DED）

财产	定向能量沉积
能源	聚焦激光，电子束或电/等离子体电弧
使用的材料	与SLM相似的合金系列；标准焊接电线和许多可焊接粉可用
建立速度	与（或以下）粘合剂喷射相媲美
印刷零件属性	〜95–99％的密度（电线进料通常高于粉末）；焊接具有定向性能的微观结构；适当的热处理后，拉伸强度可以接近锻造
维度的准确性	典型±0.5–1.0mm
典型的构建尺寸	通常是四个中最大的
常见的层厚度	0.3–1.5mm（电线）或0.2-0.8mm（粉末），具体取决于喷嘴和电源
支持	通常不需要；通过路径计划或临时固定装置处理的悬垂
典型的表面粗糙度	RA> 20–40µm
每部分费用	$$ - $$$（设备昂贵，但高沉积率降低了大零件/维修的成本）
关键应用程序	维修/翻新，功能添加，大结构组件，靠近净形空白，用于随后的加工

金属3D打印的材料

尽管使用不锈钢，钛和铝合金等广泛使用的工程金属可用于金属3D打印，但在常规制造中使用的许多其他高性能或定制合金仍然很难为AM提供或资格供应AM。由于可打印的粉末通常被气体雾化为球形，尺寸狭窄且氧气低，因此制造成本很高，可提供较少的合金，并且仍然以相对较低的产量生产。也就是说，可用于金属3D打印的金属数量正在迅速增长。今天，工程师可以从包括基于镍的铬铬系统在内的合金中进行选择，这些材料众所周知，这些物质很难在传统上进行机加工。

以下是一些普通AM金属的例子，其中不锈钢，钛和铝仍然是最广泛使用的：

• 不锈钢
• 工具钢
• 钛合金
• 铝合金
• 基于镍的超级合金
• 钴铬合金
• 基于铜的合金
• 贵金属（黄金，银，铂等）
• 异国情调的金属（钯，塔塔勒等）

金属3D打印与传统制造业

当您只需要一些复杂的高性能金属零件时，基于工具的方法会缓慢且昂贵。金属3D打印避免使用工具，并使复杂的几何形状直接。对于简单的设计或大量，CNC加工或铸造通常更便宜，更快。以下是金属3D打印与跨关键方面的减法（CNC加工）和形成性（铸造）过程的概述。

方面	金属3D打印	CNC加工	金属铸造
设计自由	非常适合复杂/内部频道，晶格，零件合并	受工具访问和切割器几何形状限制	适合有机外部形状，但需要草稿/核心以及与完全封闭的频道的斗争
工具 /设置	没有模具或切割工具；仅切片/支持设置	没有模具，但是需要进行固定和凸轮编程	需要模具/模具/核心；高前期时间和成本
交货时间（原型）	几个小时 - 周	天（编程 +加工）	几周 - 几个月（工具构建）
单位成本与数量	平坦/高度；高音量缩放很差	随着音量的增加而减小，但每个部分仍然需要机器时间。	高体积非常低；工具后出色的规模经济经济
维度的准确性	缓和;收缩/热效应，过程依赖性（PBF的±0.1-0.3mm）。	高的; ±0.01–0.05mm在精确特征上常见	缓和; ±0.1-0.5mm典型（投资<砂）
表面饰面（原始）	粗糙（RA〜5–20+µm）;经常需要完成	良好 - 外观	公平 - 豪华；通常需要加工/抛光
机械性能	在适当的HT/HIP之后，可以接近锻造力量，但由于孔隙率和表面，疲劳通常会降低；推荐压力缓解/臀部	使用锻炼→可预测的高机械性能	铸造微观结构；拉伸和疲劳特性通常低于锻造，但可以通过热处理（有时是髋关节）改善
零件大小	受构建室的限制（DED除外）	受机器信封的限制；存在大型磨坊	非常大的零件可行（沙子铸造，投资铸造）
材料范围	增长但合格的合金较少	几乎所有可加工的金属	非常广泛；大多数合金可铸造，尽管有些很难
废物 /材料效率	低的;未使用的粉末经常回收	高芯片废物（除非单独回收）	中等废物（门控/立管废料）
后处理	支持去除，热处理，髋关节，加工耐受性	毛刺，可能的热处理，完成	训练，热处理，加工到最终公差
最好的用例	复杂，低体积，高价值零件；快速迭代；内部频道/格子	耐受性紧密，体积中等的精密零件	大量或非常大的零件可以摊销工具成本

选择金属印刷而不是传统制造业

1。几何驱动性能

内部通道，晶格填充，保形冷却路径和合并，一块组件很难或不可能加工或铸造。

2。低量

如果您仅需要1-50个零件，例如原型，飞行员运行或备件，则基于工具的方法很少会得到回报。添加剂制造避免了模具和模具，以使单位成本相对平稳且合理。

3。快速设计迭代

只需更新CAD文件，重新切片和打印 - 没有新的固定装置或模具即可。可以对CNC进行重新编程，但通常仍然需要固定/工具更改，而铸造几乎总是需要新的或修改的工具。

4。交货时间比单位成本更重要

通常可以在几天内打印复杂的金属零件，比建造和证明铸造工具所需的6-8周更快。对于AOG（地面上的飞机）情况或紧急工具，速度每件价格胜过。

5。难以机械合金

Inconel，Co CR和其他超级合金的剪裁昂贵：它们很艰难，快速工作并破坏工具。金属3D打印跳过最切割，避免了工具磨损和热量问题。 SLM或EBM等高能量过程甚至可以从超高熔点金属（例如钨（3422°C））中构建组件，这些金属几乎无法有效地机加工。

6。最小化材料废物（购买比率）

传统的加工可以废除80-90％的航空航天坯料。使用粉末床AM，大多数未使用的粉末可以被过滤和重复使用，因此您更接近净形状。例如，钛托可能只需要〜1.2×最终质量而不是〜6倍。

7。按需或现场生产

您使用它们的备件slashes库存和物流。离岸钻机可以在现场打印一个自定义不锈钢阀门，而不是等待数周的加工替换。

8。维修或添加现有零件的功能

定向能量沉积重建磨损的涡轮刀片或将老板添加到昂贵的住房中。沉积后，CNC完成恢复了精确的轮廓，通常比整个部分再制造便宜。

9。拓扑优化和轻巧

我可以让您实现有机，优化的几何形状，以消除非负载轴承质量。用晶格填充物重新设计的航空航天铰链可以在保持强度的同时减轻40％的重量，结果对磨坊或铸造不切实际。

10。组装合并

打印一个集成的部分，而不是加工，然后将许多作品固定在一起。例如，具有多个泄漏路径的12件液压歧管可以成为带有内部通道的单个印刷块。这意味着更少的紧固件，较少的接头，更少的装配时间和更高的可靠性。

11。定制或分级材料

在不同区域需要利基合金或不同的特性吗？某些AM系统（尤其是DED）可以在构建过程中切换粉末或电线以创建组成梯度。研究团队打印具有较软区域的Ti – NB植入物，用于骨骼整合和较硬的负载轴承，这都是一方面的。

金属3D打印的成本

金属3D打印通常比塑料更昂贵，因为在三个方面的成本要高：设备，材料和后加工操作。以下各节详细讨论了每个部分。

设备成本

金属打印机要复杂得多：高功率激光器或电子梁，惰性气体或真空室，多激光扫描系统，精密光学元件和受控粉末输送 - 都比FDM或光聚合机机器更昂贵。典型的价格范围是技术：

• SLM / DML（激光粉床融合）：$ 300,000– $ 2,000,000+
• 定向能源沉积（DED）：$ 200,000- $ 1,000,000+
• 金属活页夹喷射（打印机加上DEBIND/SINTER单元）：$ 300,000- $ 800,000+
• 金属FDM /细丝材料挤出（打印机加上DEBIND / SINTER单位）：$ 100,000- $ 200,000

材料成本

金属3D打印材料的成本也比典型的塑料高。在金属原料中，雾化粉末是最昂贵的，因为它必须以高球体，狭窄的颗粒大小范围和非常低的氧气含量产生。 DED的电线通常比粉末便宜，而聚合物结合的金属丝（用于金属FDM中）仍然更便宜。

• 雾化粉（SLM，粘合剂喷射）：大约$ 100– $ 600，具体取决于合金（低端不锈钢，高端Ti/ni）
• 电线（DED）：大约$ 20– $ 80;粉末食用DED更接近粉末床价格
• 聚合物结合的金属丝（金属FDM）：大约$ 50– $ 150

后处理

支撑清除，缓解压力周期，髋关节，CNC饰面和表面处理可以增加每个构建或每个零件的数百甚至数千美元。活页夹喷射和金属FDM还需要脱丝和烧结，这增加了炉子的时间和成本。

下表是典型的DMLS/SLM成本贡献者的细分。请注意，后处理如何占总数的很大份额。

生产步骤	手术	典型的成本*
制造业	金属粉	$ 200–每公斤500美元（材料依赖）
	机器时间（一个构建板）	$ 2,000- $ 4,000
后处理	压力缓解周期	$ 500– $ 600
	零件/支持删除	$ 100– $ 200
	热处理 /臀部	$ 500– $ 2,500
	CNC加工	$ 500– $ 2,000
	表面精加工 /涂料	$ 200– $ 500

*实际数字随几何形状，批量尺寸，材料，区域以及商店如何分配开销而变化。根据零件尺寸，单个构建板可以容纳1-12个零件（或更多）。

此外，易消耗的惰性气体，炉子和激光功率，粉末筛分和测试，灰尘爆炸/氧化安全措施以及持续的维护和校准都使金属3D打印的运行成本显着高于塑料印刷品。

结论

金属3D打印的潜力远远超出了当今的航空航天和医疗用途。随着越来越多的合金，更智能的机器和更轻松的后处理上网，许多领域的公司将使用它来验证现实世界的性能并削减定制，复杂的金属零件的成本。如果您正在考虑通过Metal AM扩展功能，取得联系. Our team can help you decide when and how it makes sense.