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金屬3D打印技術(shù)及應(yīng)用材料

金屬3D打印技術(shù)是增材制造領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支，可直接從數(shù)字模型構(gòu)建復(fù)雜的金屬零件。在“關(guān)鍵零部件”應(yīng)用上金屬材料更具優(yōu)勢，且應(yīng)用市場更為廣泛。金屬3D打印通常是指采用激光束、電子束、電弧等高能束作為能量源的增材技術(shù)。當(dāng)前，金屬3D打印技術(shù)主要以粉末床熔融（PBF）、定向能量沉積（DED）為主，此外基于燒結(jié)的間接金屬打印也逐漸發(fā)展起來了。

• 基于PBF的主要工藝有SLM和EBM：采用激光或電子束熔化粉末，相對(duì)于其他金屬打印技術(shù)，PBF的制造效率較慢，但可以高精度打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件；

• 基于DED的工藝則有LENS、LMD：都是采用噴粉形式輸送金屬粉末，再利用激光將材料同步熔化沉積成型，該過程也可使用金屬絲完成，通常用來打印大型、低保真零件，也可用來進(jìn)行零件修復(fù)。

• 基于間接3D打印工藝的BJ、PEP、FDM技術(shù)：都可用于金屬材料的打印，間接3D打印可以理解為由MIM技術(shù)衍生出的新型金屬增材制造工藝，均是采用粘接方式實(shí)現(xiàn)零件成型，然后通過高溫?zé)Y(jié)實(shí)現(xiàn)冶金化。該類工藝突破了激光成型的效率不足，且成本更低、更符合工業(yè)化應(yīng)用場景。

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▲不同金屬3D打印工藝示意圖

金屬3D打印材料可分為粉末、顆粒和線材。目前，基于直接金屬熔融沉積的打印材料主要以鈦合金、鋁合金、不銹鋼、模具鋼、鈷鉻合金、鎳基高溫合金、貴金屬合金等為主；而間接金屬成型的打印材料則適配性更廣泛，可適用于MIM工藝的材料。主要有不銹鋼等鐵基金屬、銅等有色金屬、鎢等難熔金屬、高溫合金等材料類型。3D打印金屬材料在航空航天、醫(yī)療、模具設(shè)計(jì)、能源及電子工業(yè)等領(lǐng)域都有著非常廣泛的應(yīng)用。

▲金屬3D打印材料類型（粉末、顆粒和線材 ）

PEP與SLM的技術(shù)特點(diǎn)及差異

為充分挖掘不同金屬３D打印技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，本文選擇了SLM與PEP這兩種差異化技術(shù)路線進(jìn)行解析。SLM是目前最常見的一種金屬3D打印技術(shù)，采用高能激光束逐層熔化金屬粉末，形成冶金結(jié)合的三維實(shí)體，可制造性能優(yōu)良和較好表面粗糙度的復(fù)雜形狀金屬零件?。PEP則是由升華三維推出的一種3D打印結(jié)合粉末冶金工藝的間接增材技術(shù)，其發(fā)揮了3D打印靈活成型與粉末冶金成熟后處理工藝優(yōu)勢，通過3D打印機(jī)制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)形狀，再通過粉末冶金的脫脂燒結(jié)工藝進(jìn)行后處理，最終獲得致密且性能一致性好的金屬結(jié)構(gòu)件。

這兩種技術(shù)路線都具有其獨(dú)特的優(yōu)勢，但也存在著明顯的差異點(diǎn)，主要體現(xiàn)在：

• 成型方式：SLM采用激光熔化材料原粉直接得到制品，而PEP則采用原粉加粘結(jié)劑混合后的顆粒料擠出成型，再通過燒結(jié)獲得制品；

• 材料利用：SLM在打印過程中產(chǎn)生的未熔化粉末可以回收利用，但回收效率和利用率較低，PEP技術(shù)打印過程的材料及生坯可完全實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用；

• 中空結(jié)構(gòu)：SLM基于粉末床熔化技術(shù)，在制備中空結(jié)構(gòu)時(shí)，存在清粉難問題，而PEP采用材料擠出成型，則可避免這一問題；

• 熱處理需求：SLM打印出的零件想要獲得高性能，需要做再做熱處理，而PEP技術(shù)則是通過燒結(jié)步驟來實(shí)現(xiàn)熱處理過程；

• 打印設(shè)備成本：SLM設(shè)備需要高成本的激光器組件，PEP技術(shù)則避開了昂貴的高能激光器，采用擠出式系統(tǒng)，同等成型尺寸空間下，設(shè)備投入成本較低。

  
  

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PEP在金屬3D打印的應(yīng)用優(yōu)勢及前景

不同路線的金屬3D打印技術(shù)在應(yīng)用側(cè)重點(diǎn)也會(huì)存在不同。SLM技術(shù)在尺寸精度、表面質(zhì)量方面表現(xiàn)優(yōu)異，適合對(duì)這些性能要求較高的應(yīng)用，如更復(fù)雜的精細(xì)結(jié)構(gòu)或薄壁，在鞋模設(shè)計(jì)、燃油噴嘴批產(chǎn)等都有成熟的應(yīng)用案例。而PEP技術(shù)在成本效益、材料適應(yīng)性、和與傳統(tǒng)工藝契合方面更具優(yōu)勢，特別適合如難熔金屬及合金的3D打印。但同時(shí)也會(huì)受到一定限制。SLM設(shè)備相對(duì)昂貴，制造速度偏低，工藝參數(shù)復(fù)雜。目前主要采用配置多激光器方式來實(shí)現(xiàn)大尺寸和打印效率，但在制品性能一致性方面不好控制，相應(yīng)的設(shè)備成本也會(huì)進(jìn)一步增加。PEP對(duì)材料的高適應(yīng)性，在新材料和產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價(jià)值，且能更好地控制成品的材料成分。但在工業(yè)化應(yīng)用方面，則可能需要額外的后處理，如拋光、涂層或CNC以獲得更好的精度和外觀。

金屬3D打印的優(yōu)勢在于可以制造傳統(tǒng)工藝無法加工的復(fù)雜部件。在實(shí)現(xiàn)輕量化、復(fù)雜幾何形狀和一體化結(jié)構(gòu)等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢。但3D打印的金屬零件如果想應(yīng)用到工業(yè)方向，往往需要二次加工才能使用。采用3D打印實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的近凈成型，再利用傳統(tǒng)CNC工藝完成精加工，增減工藝配合使用將會(huì)是增材制造的重要發(fā)展方向，而增減材一體化設(shè)備的開發(fā)與應(yīng)用在將來會(huì)占據(jù)重要地位。PEP技術(shù)因其綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的特性，有助于減少能源消耗和環(huán)境污染，符合當(dāng)前制造業(yè)的環(huán)保趨勢，市場潛力巨大。而PEP在金屬打印方面，工藝也已逐漸成熟，有望在科研教育、工業(yè)制造、航天航空、國防、核工業(yè)等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步滲透。