解讀金屬3D列印技術分類

2020-12-05 模具增材製造案例

大家好，歡迎大家來到模具專欄介紹。很多人問我這樣一個問題，3D列印技術到底是什麼？有哪些種類？今天就來跟大家談談金屬3D列印有哪些種類？這只是個人的結總和觀點，分享給大家。

3D列印技術到底是什麼？ Taylor（2018）描述了切材料製造（傳統製造）和增材製造之間的概念差異。切材料製造——一種製造工藝，採用大於成品零件最終尺寸的固體材料塊，然後切除材料，直至達到所需產品形狀。增材製造——一種製造過程，涉及一次操作非常少量的材料，以便連續的材料以正確的形式組合，直接從CAD模型中生成所需的零件。非常簡單的過程，這需要對最複雜的零件進行「二維」層的操作，一層一層累積加工而成產品。如下圖所示。

金屬3D列印技術共有4類，共六種技術，如下圖所示。

第一類金屬3D列印工藝：粉末床熔合技術

金屬粉末床熔合是一種3D列印過程，可產生固體，使用熱源一次將金屬粉末顆粒一次融合在一層之間。大多數粉末床融合技術都採用在構造物體時添加粉末的機制，從而將最終組件封裝在金屬粉末中。 金屬粉末床融合技術的主要變化來自使用不同的能源。 分類雷射或電子束兩大類技術。

技術特點:

3D列印技術的類型：直接金屬雷射燒結（Direct Metal Laser Sintering (DMLS)）； 選擇性雷射熔化（Selective Laser Melting (SLM)）； 電子束熔化（Electron Beam Melting (EBM)）

材料：金屬粉末：鋁，不鏽鋼，鈦

尺寸精度：±0.1毫米

常見應用：功能金屬零件（航空航天和汽車）； 醫療； 牙科的

優點：最堅固的功能部件； 複雜的幾何

劣勢：體積小； 所有技術的最高價位

直接金屬雷射燒結（DMLS）/選擇性雷射熔融（SLM）

直接金屬雷射燒結（DMLS）和選擇性雷射熔化（SLM）都以與SLS（

Selective Laser Sintering (SLS)）類似的方式產生物體。主要區別在於這些類型的3D列印技術適用於金屬零件的生產。DMLS不會熔化粉末，而是將其加熱到一定程度，以便可以在分子水平上融合在一起。 SLM使用雷射實現金屬粉末的完全熔化，從而形成均勻的零件。這導致零件具有單一的熔化溫度（某些合金無法產生的溫度）。DMLS和SLM之間的主要區別；前者由金屬合金生產零件，而後者則形成單元素材料，例如鈦。與SLS不同，DMLS和SLM工藝需要結構支撐，以限制可能發生的任何變形的可能性（儘管周圍的粉末提供了物理支撐）。DMLS / SLM部件由於高溫而在列印過程中會產生殘餘應力，因此有翹曲的危險。零件通常在印刷後也要進行熱處理，同時仍附著在底板上，以減輕印刷後零件中的應力。

電子束熔化（EBM）,與其他粉末床熔化技術不同，電子束熔化（EBM）使用高能束或電子在金屬粉末顆粒之間引發熔化。聚焦的電子束掃過粉末的薄層，在特定的橫截面區域上引起局部熔化和固化。 建立這些區域以創建實體。與SLM和DMLS類型的3D列印技術相比，EBM通常具有更高的構建速度，因為它具有更高的能量密度。 但是，諸如最小特徵尺寸，粉末粒度，層厚度和表面光潔度之類的東西通常較大。還要注意的重要一點是，EBM零件是在真空中製造的，該過程只能與導電材料一起使用。

第二類金屬3D列印工藝：材料噴射工藝

材料噴射是一種3D列印過程，其中材料滴被選擇性地沉積在固化板上並固化。 使用在光線下固化的光敏聚合物或蠟滴，可以一次將物體堆積一層。材料噴射過程的性質允許在同一對象中列印不同的材料。 該技術的一種應用是用與要生產的模型不同的材料製造支撐結構。

3D列印技術的類型：材料噴射（Material Jetting（MJ）），按需滴落（Drop-On-Demand (DOD)）

材料：光敏樹脂（標準，澆鑄，透明，高溫）

常見應用：全彩產品原型； 注塑模樣； 低速注塑模具； 醫學模型

優點：最佳表面光潔度； 提供全色和多種材料

缺點：脆，不適合機械零件； 用於視覺目的的成本高於SLA / DLP

納米顆粒噴射（Nano particle jetting (NPJ)）

納米顆粒噴射（NPJ）使用包含金屬納米顆粒或載體納米顆粒的液體，將其作為墨盒裝入印表機，並以極薄的液滴層噴射到構建託盤上。 外殼內的高溫會導致液體蒸發，並留下金屬零件。

第三類金屬3D列印工藝：粘結劑噴射

粘結劑噴射是一種3D列印工藝，其中液體粘結劑選擇性地粘結粉末床的區域。

粘結劑噴射是類似於SLS的3D列印技術，要求在構建平臺上具有初始粉末層。但是與使用雷射燒結粉末的SLS不同，粘結劑噴射將列印頭移動到粉末表面上方，從而沉積出直徑通常為80微米的粘合劑液滴。這些液滴將粉末顆粒粘合在一起，以產生物體的每一層。印刷完一層後，放下粉末床，然後在新近印刷的一層上鋪一層新的粉末。重複此過程，直到形成完整的對象。然後將物體留在粉末中以固化並增強強度。之後，將物體從粉末床中移出，並使用壓縮空氣除去所有未結合的粉末。

技術特點:<span style="font-size:18px;line-height:107%;font-family:"&amp">

3D列印技術的類型：粘結劑噴射（Binder Jetting （BJ））

材料：沙子或金屬粉末：不鏽鋼/青銅，全彩沙子，西裡西亞（砂型鑄造）

尺寸精度：±0.2毫米（金屬）或±0.3毫米（砂）

常見應用：功能性金屬零件；全彩模型；砂模鑄造

優點：低成本建造量大；功能金屬零件

缺點：機械性能不如金屬粉末床熔合

金屬粘結劑噴射

粘結劑噴射還可用於金屬物體的製造。金屬粉末使用聚合物粘合劑進行粘合。使用粘結劑噴射技術生產金屬物體可以生產複雜的幾何形狀，遠遠超出了傳統製造技術的能力。但是，功能性金屬物品只能通過滲透或燒結等次級過程生產。最終結果的成本和質量通常定義了哪個二次過程最適合特定應用。沒有這些額外的步驟，用金屬粘結劑噴射製成的零件的機械性能將很差。滲透第二過程的工作方式如下：首先，金屬粉末顆粒使用粘結劑粘結在一起，形成「綠色狀態」物體。物體完全固化後，將其從鬆散的粉末中取出，放入爐中，在其中燒掉粘合劑。這使物體的密度大約為60％，並且整個區域都有空隙。接下來，青銅被用於通過毛細作用滲透到空隙中，從而使物體具有約90％的密度和更高的強度。但是，用金屬粘結劑噴射製成的物體通常比用粉末床熔合製成的金屬零件具有較低的機械性能。燒結二次過程可用於製造不滲透的金屬零件。列印完成後，將綠色狀態的物體在烤箱中固化。接下來，將它們在熔爐中燒結至約97％的高密度。但是，不均勻的收縮可能是燒結過程中的一個問題，應在設計階段加以考慮。

第四類金屬3D列印工藝：直接能量沉積

直接能量沉積（Direct Energy Deposition (DED)）通過在沉積粉末材料時將其熔化來製造零件。它主要用於金屬粉末或金屬絲，通常稱為金屬沉積。

技術領域

雷射工程網狀透鏡（Laser Engineered Net Shape (LENS)）LENS利用沉積頭，該沉積頭由雷射頭，粉末分配噴嘴和惰性氣體管組成，當粉末從粉末分配噴嘴中噴出時，可以熔化粉末，從而逐層構建固體零件層。雷射在建築區域上形成熔池，然後將粉末噴入熔池中，在熔池中熔化然後固化。基材通常是一塊平坦的金屬板或添加了材料的現有零件（例如，用於維修）。

電子束增材製造（Electron Beam Additive Manufacture (EBAM)）EBAM用於使用金屬粉末或金屬絲製造金屬零件，並使用電子束作為熱源焊接在一起。以類似於LENS的方式生產零件，電子束比雷射器更有效，並且在真空下運行，而該技術最初是為在太空中使用而設計的。

應用領域

直接能量沉積技術專門用於金屬增材製造。該過程的性質意味著它們非常適合維修或向現有組件（例如渦輪葉片）添加材料。對密集支撐結構的依賴使DED不適用於從頭開始生產零件。

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