PBF與DED：您應(yīng)該選擇哪種金屬3D打印工藝？

從1984年第一個(gè)相關(guān)專利誕生，到2013年概念走紅進(jìn)入公眾視野，時(shí)至今日增材制造（3D打?。┘夹g(shù)，歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展變遷，終于逐漸走向成熟和規(guī)范化。

以粉床熔融成形技術(shù)（PBF）為代表的金屬3D打印在近些年逐步由實(shí)驗(yàn)室走向市場。粉床熔融金屬3D打印通過激光或者電子束層層熔化金屬粉末，能夠一次性制造出材料性質(zhì)媲美鍛件的復(fù)雜金屬零件。然而，目前金屬3D打印也存在很多缺陷，比如產(chǎn)量低，不確定性大，零件尺寸精度低等。到目前為止，金屬3D打印的參數(shù)優(yōu)化主要依賴于反復(fù)實(shí)驗(yàn)。然而實(shí)驗(yàn)會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間，人力和資金。因此，通過計(jì)算機(jī)模擬仿真來了解金屬3D打印的機(jī)理，在打印零件之前通過計(jì)算機(jī)提前優(yōu)化打印的各項(xiàng)參數(shù)，便成為克服金屬3D打印缺陷的一條捷徑。

在金屬增材的技術(shù)中，目前最成熟的是PBF和DED技術(shù)，均達(dá)到了工業(yè)化應(yīng)用的程度。而從當(dāng)前的市場規(guī)模數(shù)據(jù)來看，也印證了這一結(jié)論，2021年全球金屬增材設(shè)備銷售額達(dá)到9.9億歐元，其中PBF已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用占總份額83.8%，DED也已進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用占9.1%。

背景

由于粉床熔融金屬3D打印所用的金屬粉末尺寸大約為50微米，激光束或者電子束的最小聚焦直徑也在100微米左右，然而需要打印的零件尺寸卻常常大于幾十或上百厘米，如果在微米尺度上直接模擬整個(gè)大型零件，有人估計(jì)以現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)需要的時(shí)間是5.7x10^18年（宇宙的年齡才不到1.4x10^10年）。此外，在金屬3D打印中的物理過程也是極其復(fù)雜的如圖1。整個(gè)物理過程涉及到熱傳導(dǎo)、熱輻射、熱對(duì)流、熱應(yīng)力、金屬粉末相變、熔池自由表面流體流動(dòng)、流體潤濕性、流體表面張力等等多領(lǐng)域多學(xué)科的復(fù)雜物理過程。這些過程的模擬仿真不僅需要對(duì)單一領(lǐng)域有深刻了解，更需要各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域之間的通力合作?？偟膩碚f，金屬3D打印的模擬仿真需要在一個(gè)多尺度多物理場（multi-scale and multi-physical）的大框架下進(jìn)行。

PBF與DED：您應(yīng)該選擇哪種金屬3D打印工藝？(深度)

來自未知大陸(UNLANDS)是基于3D打印技術(shù)的數(shù)字制造云平臺(tái)

在增材制造中，金屬與塑料一樣是使用最廣泛的材料之一。 這種材料的特性使其適用于要求最苛刻的市場，包括高性能應(yīng)用。 在本文中，我們比較了兩種主要的金屬3D打印工藝：激光粉末床熔合 (L-PBF) 和定向能量沉積 (DED)。 我們將研究每種技術(shù)的特性、最常見的應(yīng)用和領(lǐng)先的制造商，突出它們的異同。

首先簡要介紹一下，PBF 包含幾種涉及使用粉末床的增材制造工藝，無論是塑料、陶瓷還是金屬。 您可能已經(jīng)猜到了，今天我們將重點(diǎn)關(guān)注金屬。 這個(gè)過程可以使用激光或電子束作為能源，例如電子束熔化（EBM），由制造商Arcam于2002年推出。但是，為了更直接地比較，我們將只關(guān)注以下過程： 使用激光作為熱源。 根據(jù)不同制造商的名稱，該過程也有其他名稱，例如 DMLS，這是金屬3D打印領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者 EOS 于 1994 年獲得專利的術(shù)語。 該首字母縮寫詞來自德語“Direkt Metall Laser Schmelzen”，翻譯成英文為直接金屬激光熔化。 它也可以稱為 SLM for Selective Laser Melting，這是弗勞恩霍夫研究所于 1995 年引入的術(shù)語。

PBF過程

相比之下，DED 是一種比其他金屬粉末床技術(shù)更新的方法。 它知名的時(shí)間更長，但直到最近十年才真正發(fā)揮作用。 該工藝使用粉末或線材形式的材料，在直接沉積到零件上的同時(shí)通過直接能源熔化。 該工藝以其修復(fù)和/或涂覆大型金屬物體的能力而聞名。 DED 技術(shù)可以使用不同的能源，例如激光、等離子或電子束。 例如，WAAM（Wire Arc Additive Manufacturing）技術(shù)就屬于這一類。 因此，比較 PBF 和 DED 過程并不容易，因?yàn)樗鼈兪莾煞N截然不同的技術(shù)。 因此，我們將嘗試了解它們是如何工作的、它們有何不同以及它們?nèi)绾位パa(bǔ)。

金屬PBF和DED如何工作？

兩者之間最大的相似之處之一在于3D打印中必須發(fā)生的一些設(shè)定步驟。 值得注意的是，3D打印過程總是從使用 CAD 軟件創(chuàng)建待打印對(duì)象的3D模型開始。 然后切片機(jī)以數(shù)字方式逐層切割零件。

現(xiàn)在讓我們從 PBF 開始：用惰性氣體加熱腔室以達(dá)到理想溫度（對(duì)于 EBM 工藝，這必須在真空中進(jìn)行）。 然后在板上涂上一層薄薄的粉末，同時(shí)將其加熱到約 300/400°C 的溫度。 然后，激光有選擇地熔化金屬顆粒并將其固化。 一層完成后，托盤向下移動(dòng)，允許添加另一層粉末。 重復(fù)該過程，直到獲得成品零件。

準(zhǔn)備好后，必須讓其冷卻。 然后去除周圍的松散金屬粉末以及 PBF 幾乎總是需要的印刷支撐。 強(qiáng)烈建議使用它們，尤其是第一層，以在不影響零件的最終幾何形狀和屬性的情況下將零件固定在印刷板上。 最后，金屬零件經(jīng)過各種后處理過程，我們將在專門的部分中詳細(xì)介紹。

就 DED 而言，它可以被認(rèn)為是擠壓和 PBF 的混合體。 事實(shí)上，這項(xiàng)技術(shù)制造的零件具有集中的能源來熔化材料。 打印頭被送入粉末或金屬絲，噴嘴逐層沉積所用金屬。 金屬在離開噴嘴時(shí)熔化到要修復(fù)的底座或部件上。 重復(fù)該過程，直到達(dá)到先前通過 CAD 軟件設(shè)計(jì)的3D模型。

用激光進(jìn)行DED工藝

DED 3D打印機(jī)是工業(yè)機(jī)器，可以使用三種可能的能源：激光、電子束和等離子。 根據(jù)所選能源的類型，3D打印機(jī)將擁有不同的環(huán)境。 請(qǐng)注意，大多數(shù)DED機(jī)器都是大型工業(yè)機(jī)器，需要封閉且受控的結(jié)構(gòu)才能運(yùn)行。 對(duì)于激光系統(tǒng)，活性金屬需要一個(gè)完全惰性的腔室。 這需要大量的氣體和時(shí)間才能達(dá)到所需的氧氣水平。 對(duì)于電子束，該過程必須在真空中進(jìn)行，以避免電子與空氣分子相互作用或被空氣分子偏轉(zhuǎn)。 最后，當(dāng)使用等離子體作為能源時(shí)，材料在惰性氬氣環(huán)境中精確熔化。 該過程每秒被監(jiān)控 600 多次以確保質(zhì)量。

PBF和DED的優(yōu)點(diǎn)和局限性

金屬粉末床熔合是生產(chǎn)可直接使用的最終零件的最廣泛使用的技術(shù)之一，與 DED 不同，后者更多地用于修復(fù)、涂層或添加定制零件。 綜觀這兩種技術(shù)，兩者都有優(yōu)點(diǎn)和局限性。 金屬激光融合的主要優(yōu)勢(shì)在于它可以制造出幾何復(fù)雜度高的零件。 此外，當(dāng)與拓?fù)鋬?yōu)化相結(jié)合時(shí)，該技術(shù)可以用更少的材料制造更輕的金屬部件，這在汽車和航空航天等行業(yè)至關(guān)重要。

另一方面，DED 技術(shù)非常適合加工具有高機(jī)械性能的大型金屬零件。 DED 3D打印機(jī)由放置在多軸機(jī)械臂（可以有四個(gè)或五個(gè)）上的噴嘴組成，可實(shí)現(xiàn)高打印自由度和大打印量。 就生產(chǎn)時(shí)間而言，打印速度高達(dá) 5 kg/h 的材料沉積工藝是最快的工藝之一。 根據(jù)美國3D打印機(jī)制造商 Optomec 的說法，DED 比 PBF 快 10 倍。 這是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，但在零件精度方面也是一個(gè)缺點(diǎn)，因?yàn)楦叩拇蛴∷俣刃枰蟮膶雍穸龋ㄔ?5 到 10 毫米之間），因此零件的渲染精度較低。 另一方面，PBF 具有非常薄的層（低至 0.02 毫米），激光逐點(diǎn)作用于零件，這會(huì)延長生產(chǎn)時(shí)間但會(huì)提高細(xì)節(jié)水平。

拓?fù)鋬?yōu)化可使3D打印金屬部件更輕

就零件尺寸而言，DED 有利于生產(chǎn)大型產(chǎn)品，其中粉末床融合受板尺寸限制。 應(yīng)該注意的是，可以使用 PBF 制造的最大零件不大于一米，而 DED 提供了在幾米的大表面上工作的可能性。 然而，這兩種技術(shù)都具有環(huán)境優(yōu)勢(shì)。 對(duì)于融合，在某些情況下，對(duì)于某些金屬，未加工的粉末可以重復(fù)使用，因?yàn)樾路勰┛梢耘c舊粉末混合。 另一方面，DED 在其制造過程中使用的材料較少，盡管該過程確實(shí)需要機(jī)械加工技術(shù)來去除零件上的材料。 盡管如此，與傳統(tǒng)的施工方法相比，這兩種技術(shù)都有助于減少廢物。

從更“實(shí)際”的角度來看，PBF 技術(shù)不適合大規(guī)模生產(chǎn)，因?yàn)榕c CNC 加工相比，它的成本太高。 因此，它更適合用于需要特定或定制幾何形狀的小批量生產(chǎn)，例如假牙。 最后，與 DED 相比，PBF 打印中使用的材料量對(duì)生產(chǎn)成本的影響也更大。 至于材料沉積技術(shù)的局限性，它不允許生產(chǎn)具有復(fù)雜幾何形狀的零件。 DED 將用于形狀簡單的零件。 然而，組件的大尺寸也會(huì)對(duì)價(jià)格產(chǎn)生影響。 機(jī)器本身的成本非常高，即使該過程仍然比 PBF 便宜。 最后，這兩種技術(shù)還需要進(jìn)行大量增加成本的后處理步驟。 我們將在本文后面更詳細(xì)地討論這個(gè)問題。

采用DED技術(shù)的3D打印火箭

以金屬為主要材料

材料的選擇對(duì)這兩種技術(shù)都有重大影響，因?yàn)樗砹嗣總€(gè)過程的主要成本。 對(duì)于 PBF，腔室需要充滿金屬粉末來打印零件，而對(duì)于 DED，零件越大，需要的材料就越多。

總的來說，激光融合提供了廣泛的兼容金屬選擇，但有些金屬至今仍然不兼容，例如非常適合焊接的高碳鋼或高硅鋁。 當(dāng)需要特定材料時(shí)，這可能是一個(gè)限制因素。 然而，該工藝可以使用金屬和合金，例如不銹鋼、鈷鉻合金、鋁（主要用于航空航天和汽車工業(yè)）、鈦（特別適用于醫(yī)療領(lǐng)域）、鉻鎳鐵合金和銅。 也可以使用金、鉑和銀等貴金屬。 對(duì)于 DED 技術(shù)，可以在金屬和陶瓷之間進(jìn)行選擇； 這里我們主要關(guān)注前者。 事實(shí)上，陶瓷很少被使用，因?yàn)樗鼈儗?shí)施起來很復(fù)雜并且只與激光能源兼容。

目前與這些工藝兼容的金屬種類繁多

許多粉末或細(xì)絲形式的金屬也可用于 DED 技術(shù)。 與 PBF 技術(shù)不同，直接能量沉積通常允許使用所有可焊接材料，例如鈦和鈦合金、鉻鎳鐵合金、鉭、鎢、鈮、不銹鋼和鋁。 在這種情況下，重要的是熔化溫度高于腔室溫度，因此該過程需要對(duì)每種材料進(jìn)行不同且受控的程度。

PBF和DED的應(yīng)用

這兩種技術(shù)都可以用于廣泛的應(yīng)用和領(lǐng)域。 這兩種工藝之間的主要區(qū)別在于粉末沉積和激光處理的方式，以及這些工藝的用途。 在 PBF 技術(shù)的情況下，它們用于航空航天、汽車、醫(yī)藥甚至珠寶等要求苛刻的行業(yè)。

例如，對(duì)于 DED 技術(shù)，主要應(yīng)用包括大型零件的修復(fù)。 如果我們以航空航天領(lǐng)域?yàn)槔湫偷膽?yīng)用示例是修理渦輪螺旋槳、閥門或各種工具。 也可以使用不同的粉末或?qū)⒉牧希ɡ玟摵丸T鋁）結(jié)合起來以焊接電動(dòng)機(jī)電池。 然而，PBF 技術(shù)不允許加入粉末，因?yàn)樗鼈儠?huì)混合并且無法使用。 然而，航空航天業(yè)仍然可以從其優(yōu)勢(shì)中受益，特別是對(duì)于復(fù)雜的定制零件或端件的生產(chǎn)。

PBF 零件的精度和質(zhì)量也使其特別適合汽車行業(yè)的最終用途，將3D打印零件集成到汽車中，例如油分離器、底盤或發(fā)動(dòng)機(jī)部件。 如上所述，它還可以與貴金屬一起使用來制作珠寶或配飾。 對(duì)于醫(yī)療領(lǐng)域，這項(xiàng)技術(shù)提供了為每個(gè)患者定制的詳細(xì)植入物的可能性，例如金屬顱骨植入物或牙冠。

PBF技術(shù)使定制醫(yī)療植入物的生產(chǎn)成為可能

與 PBF 一樣，DED 工藝也用于醫(yī)療領(lǐng)域，以生產(chǎn)骨科植入物、手術(shù)器械和假肢。 一些金屬，例如鈦或不銹鋼，甚至具有生物相容性。 這意味著它們可以被植入體內(nèi)而沒有免疫系統(tǒng)過敏反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。 最后，材料沉積還用于各類部件的金屬保護(hù)涂層。 這使得零件更硬，更耐腐蝕、防銹、耐化學(xué)品或耐候。

其他行業(yè)也受益于這些技術(shù)，例如石油和天然氣行業(yè)的壓力容器等應(yīng)用，可以用 DED 生產(chǎn)，以及海事和國防行業(yè)，例如用于組件的生產(chǎn)。 此外，在復(fù)雜零件的情況下，可以以互補(bǔ)的方式使用這兩種技術(shù)，以便在最短的時(shí)間內(nèi)獲得盡可能詳細(xì)的混合零件。 例如，正如 Irepa Laser 增材制造應(yīng)用和開發(fā)經(jīng)理 Didier Boisselier 所解釋的那樣，Irepa Laser 為國防部門生產(chǎn)了一種混合金屬部件。 該零件內(nèi)部幾何復(fù)雜度高，需要對(duì)內(nèi)部零件使用PBF，而對(duì)外部零件使用DED技術(shù)來加快處理速度。

DED用于具有簡單幾何形狀的部件

后處理的不同階段

雖然采用這兩種技術(shù)制造的零件提供了高性能零件，即可以通過最嚴(yán)苛測試的超級(jí)合金產(chǎn)品，但要達(dá)到這樣的結(jié)果，這兩種工藝都需要更多的后處理步驟，這也增加了成本。 例如，表面光潔度很重要，盡管程度不同。 事實(shí)上，在 PBF 的情況下，有必要對(duì)表面進(jìn)行處理以使其更光滑，因?yàn)榱慵雌饋碛蓄w粒感。 使用 DED，您將獲得表面不完美的零件，因?yàn)椴牧显跀D壓過程中直接熔化。 因此，CNC 加工步驟始終是獲得更明確和光滑的表面所必需的。

此外，金屬在這兩個(gè)過程中的快速加熱和冷卻都會(huì)導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力的積累。 熱處理可以減輕這些應(yīng)力，提高硬度、延伸率、疲勞強(qiáng)度等機(jī)械性能。對(duì)于金屬激光熔合，需要去除多余的粉末和基體。 這可以手動(dòng)、機(jī)械或通過電火花線切割完成。 接下來是表面精加工，其中可以添加拋光或 CNC 工藝以提高零件的美感。

對(duì)于 DED，銑削 (CNC) 零件是完成零件的重要步驟。 由于零件尺寸大，這很耗時(shí)并且需要大量投資。 一般來說，后處理金屬零件最常用的技術(shù)是熱等靜壓 (HIP)，它可以去除任何殘留的內(nèi)部微孔并完全固化零件，以及退火，這是一種用于提高零件機(jī)械性能的熱處理選項(xiàng) 將其加熱到高溫，然后迅速冷卻。 金屬的表面處理方法包括干法電解拋光、噴砂等。

必須移除3D打印支架

應(yīng)該記住，對(duì)于 DED 和 PBF，不可能定義一個(gè)單一的后處理過程，這將取決于零件的尺寸、使用的金屬（例如，鈦等材料需要特定的、 甚至更昂貴的處理），生產(chǎn)的零件類型和每個(gè)特定行業(yè)所需的規(guī)格。

主要廠商

如今，許多制造商都提供粉末床激光熔化機(jī)。 在主要廠商中，我們可以提到金屬 3D 打印領(lǐng)域的主要參與者 EOS，如今它仍然是 DMLS 3D 打印機(jī)的主要制造商之一。 我們不要忘記 3D Systems，它于 2013 年收購了法國品牌 Phenix Systems，以擴(kuò)展到金屬增材制造領(lǐng)域。 它的過程被稱為 DMP for Direct Metal Printing。 其他提供金屬激光融合打印機(jī)的公司包括英國公司 Renishaw 或德國制造商 SLM Solutions——盡管這份清單并不詳盡。

專注于激光 DED 機(jī)器的制造商包括 AddUp，該公司于 2018 年收購了市場領(lǐng)先的 DED 機(jī)器制造商之一 BeAM。 該公司還提供兩種 L-PBF 解決方案。 American Optomec 也是領(lǐng)先企業(yè)之一，其專利 LENS 工藝于 1998 年推向市場。如今，該公司擁有不少于七種解決方案。 制造商 FormAlloy、DMG Mori、InssTek、Relativity 和 Meltio 也值得一提。 后者聲稱提供市場上最便宜的 DED 機(jī)器。 最后，其他公司提供這兩種解決方案，例如德國公司 Trumpf 或意大利公司 Prima Additive，后者為銅和反射金屬提供雙激光或綠激光選項(xiàng)。 雖然還有很多。

價(jià)格

如前所述，DED和PBF 3D打印機(jī)之間的價(jià)格很高，但并不相同。 事實(shí)上，定向能量沉積工藝可以被認(rèn)為比粉末床融合工藝便宜大約 5 倍。 雖然很難給出確切的數(shù)字。 制造商不會(huì)在線披露其產(chǎn)品的價(jià)格，成本可能會(huì)因用戶操作3D打印機(jī)的方式而異。 它還取決于買家是否也想從后處理解決方案或特定材料中受益。 無論如何，很難在該類別中找到一臺(tái)價(jià)格低于 80,000 美元的金屬機(jī)器。 一些3D打印機(jī)甚至可能高達(dá)近 1,000,000 美元。 談到粉末床激光聚變解決方案，起價(jià)可達(dá) 200,000 美元。 考慮 3D Systems 的 DMP Flex 350，估計(jì)約為 575,000 美元，或 DMP Factory 350，最高可達(dá) 763,000 美元。 對(duì)于 DED 系統(tǒng)，當(dāng)考慮更復(fù)雜的解決方案時(shí)，價(jià)格可能會(huì)大幅上漲，例如 DMG MORI 的 LASERTEC 6600 DED 混合機(jī)床，它將 DED 技術(shù)和減材加工結(jié)合到一個(gè)解決方案中。 它的估計(jì)成本是最高的之一，在150 到 300 萬美元之間。

難熔金屬制成的PBF 3D打印零部件

使用難熔金屬進(jìn)行3D打印是充滿挑戰(zhàn)的，特別是像鎢、鉻、錸這類熔點(diǎn)很高的金屬，更別提納米級(jí)粉末顆粒了。然而，這些金屬——鉬、鈮、鉭、鎢和錸——不僅具有極強(qiáng)的耐熱性和耐腐蝕性，而且即使在高溫下也能保持其結(jié)構(gòu)完整性。這使它們成為一系列具有挑戰(zhàn)性的航空航天、工業(yè)和科學(xué)用途的絕佳選擇。

用鈮等難熔金屬3D打印復(fù)雜的雙壁渦輪葉片的能力為顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度鋪平了道路Castheon

挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存

挑戰(zhàn)無處不在

通過傳統(tǒng)加工工藝來加工難熔金屬也是充滿挑戰(zhàn)的，一個(gè)普遍問題是難熔金屬非常難以通過傳統(tǒng)的制造方法進(jìn)行加工，例如機(jī)械加工和成型。在此與其相對(duì)較高的成本之間，難熔金屬的使用長期以來一直僅限于工件形狀相對(duì)簡單、材料去除量極少以及高溫合金無法按需發(fā)揮作用的應(yīng)用。

根據(jù)來自加利福尼亞州的Castheon公司，當(dāng)前激光粉末床熔化(LPBF)工藝 解決了與難熔金屬和合金相關(guān)的大部分可制造性問題。尤其是金屬增材制造技術(shù)允許創(chuàng)建拓?fù)鋬?yōu)化的輕量級(jí)組件，這些組件包含多孔或晶格結(jié)構(gòu)，否則這些組件的設(shè)計(jì)是不切實(shí)際甚至是不可能生產(chǎn)的。

以經(jīng)濟(jì)高效的方式制造熔點(diǎn)幾乎是INCONEL、哈氏合金和其他流行的耐熱高溫合金(HRSA)兩倍的金屬部件，金屬3D打印難熔金屬為一些令人興奮的可能性打開了大門。更高的溫度意味著更省油和更持久的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，這對(duì)商業(yè)航空和發(fā)電行業(yè)至關(guān)重要。

3D打印難熔金屬對(duì)高超音速航空制造業(yè)也有應(yīng)用潛力，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場了解，美國宇航局、美國空軍和其他機(jī)構(gòu)長期以來一直對(duì)商業(yè)和軍事用途的持續(xù)高超音速飛行感興趣，然而，直到最近，才可能將難熔金屬制造成支持5馬赫及以上速度所需的復(fù)雜形狀。

根據(jù)Castheon公司，金屬增材制造不僅可以制造出各種適合3D打印的復(fù)雜形狀，而且鈮基合金比它們的鍛造合金要穩(wěn)定得多。在1,300攝氏度的溫度下，它們的拉伸強(qiáng)度是其1.8倍。其他難熔金屬，如鎢和錸，也表現(xiàn)出類似的好處。

不過要想在3D打印難熔金屬這個(gè)利基市場取得成功，還是充滿挑戰(zhàn)的。難熔金屬合金和粉末的生產(chǎn)是充滿挑戰(zhàn)的，導(dǎo)致高成本和材料稀缺。由于狹窄的操作窗口和“獨(dú)特的顆粒控制機(jī)制”，3D打印難熔金屬也非常具有挑戰(zhàn)性。

鉬、鎢、鉭和鈮存在的一些挑戰(zhàn)來自它們的體心立方原子結(jié)構(gòu)，它們存在韌脆轉(zhuǎn)變溫度(DBTT)。鉬和鎢等金屬具有非常高的DBTT，這會(huì)導(dǎo)致成品零部件中的應(yīng)力積聚和微裂紋。

應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的種種策略

對(duì)于鍛造材料，可以通過冷加工等熱機(jī)械工藝來減輕這些故障模式，但這對(duì)于3D打印組件來說是不切實(shí)際的。解決方法是將難熔金屬與錸、鎳和鐵等元素合金化，以降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度和減少應(yīng)力。

打印工藝也很重要，例如可以通過加熱構(gòu)建板減少開裂，這是常見策略，有些機(jī)器能夠達(dá)到500攝氏度或更高。這有可能緩解從液體到固體的轉(zhuǎn)變，尤其是鉬和鎢，它們具有更高的DBTT。

同樣重要的是要注意構(gòu)建室或粉末中的氧氣對(duì)構(gòu)建過程是有害的，因?yàn)檫^多的氧氣會(huì)進(jìn)一步增加DBTT和金屬的微裂紋。在金屬增材制造設(shè)備中擁有高質(zhì)量的原料和良好的氣氛控制對(duì)于打印難熔金屬的成功至關(guān)重要。

然而，即使無法消除微裂紋及其導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)完整性損失，難熔金屬仍然可以發(fā)揮重要作用。

例如，鎢被廣泛用于X射線和CT掃描儀中的抗散射網(wǎng)格準(zhǔn)直器，它們的機(jī)械載荷水平要求與航空航天和軍事應(yīng)用中的機(jī)械載荷水平要求不同。而難熔金屬表現(xiàn)出的優(yōu)異的導(dǎo)熱性和低熱膨脹系數(shù)，使其非常適合用于熱交換器和用于種植藍(lán)寶石的坩堝。

再例如，由于其低DBTT和耐高溫性，鉭和鉭鎢合金(Ta10W)被選作衛(wèi)星組件，要求其在超過3,000攝氏度的溫度下表現(xiàn)出一致的導(dǎo)電性、極高的抗拉強(qiáng)度和最小的變形.

H.C.Starck參與的一個(gè)項(xiàng)目是為英國航天局打印一個(gè)電阻噴嘴段。該項(xiàng)目被稱為超高溫增材制造Resistojets，或STAR。（阻力噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)是一種簡單的電力推進(jìn)系統(tǒng)，它通過加熱流體來產(chǎn)生推力。）

據(jù)了解，金屬增材制造難熔金屬的開發(fā)項(xiàng)目帶來了難以置信的靈活性，創(chuàng)建定制合金混合物的能力也是如此。一個(gè)富有想象力的應(yīng)用空間是，將開發(fā)出“預(yù)合金”金屬，在3D打印時(shí)提供了更好的一致性。例如，鈦-鋯-鉬是一種流行的醫(yī)用合金，而鉬鑭、鎢錸和鈮基合金C-103，也獲得了越來越多的應(yīng)用探索。

拿鎢組件的3D打印來說，出了LPBF選區(qū)激光熔化金屬3D打印技術(shù)，還可以通過EBM電子束技術(shù)來增材制造鎢組件。國內(nèi)企業(yè)中，西安鉑力特、湖南伊澍智能制造等少數(shù)企業(yè)也在開發(fā)鎢金屬材料的增材制造應(yīng)用。鉑力特已利用SLM 3D打印設(shè)備開發(fā)出了鎢合金3D打印零件，零件整體采用薄壁結(jié)構(gòu)，最小壁厚僅0.1mm。湖南伊澍智能制造基于EBM 3D打印技術(shù)開展了對(duì)WC-Co硬質(zhì)合金層-金剛石復(fù)合材料組分以及材料增材制造工藝參數(shù)的研究，該技術(shù)旨在解決硬質(zhì)合金刀具涂層剝落的問題，利用增材制造工藝與材料，實(shí)現(xiàn)金剛石涂層材料與WC-Co硬質(zhì)合金層以化學(xué)鍵方式的結(jié)合。

PBF金屬3D打印裝備制造商實(shí)際上都在擴(kuò)展其3D打印機(jī)的Z軸制造尺寸，這是一種新興趨勢(shì)。國內(nèi)的設(shè)備商，有意無意間實(shí)際上已經(jīng)掀起了一場技術(shù)競賽，一系列多激光、米級(jí)的裝備紛紛發(fā)布。國內(nèi)外的這種現(xiàn)象，表明在航空、航天、軍事等領(lǐng)域有使用特定類型、尺寸零件的制造需求，尤其是一些公司在宣傳文案中特意指明，某機(jī)型適合某類零件的制造。

研究人員利用激光定向能量沉積3D打印開發(fā)新型可持續(xù)鈦合金，可控制不同區(qū)域的硬度和延展性

皇家墨爾本理工大學(xué)和悉尼大學(xué)的研究人員，與香港理工大學(xué)和瑞典軟件開發(fā)商Hexagon的制造智能部門合作，成功開發(fā)出一種新型的鈦合金材料。這一研究成果為鈦合金在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用打開了新的可能性，并為實(shí)現(xiàn)更可持續(xù)的制造方法提供了有益的啟示。

激光定向能量沉積3D打印的鈦合金微觀結(jié)構(gòu)示意

新型3D打印鈦合金有什么作用？

這種鈦合金具有堅(jiān)固、延展、可調(diào)和可持續(xù)的特性。傳統(tǒng)制造鈦合金的成本很高，而這項(xiàng)研究為新型的高性能鈦合金提供了潛力，可在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)工程、太空和能源等領(lǐng)域應(yīng)用。

該研究團(tuán)隊(duì)采用了合金和3D打印工藝設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法，利用激光定向能量沉積（L-DED）技術(shù)從金屬粉末中3D打印出這種新型鈦合金。這種創(chuàng)新的制造過程使得鈦合金的生產(chǎn)更加可持續(xù)和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

皇家墨爾本理工大學(xué)的首席研究員Ma Qian教授表示，他們將循環(huán)經(jīng)濟(jì)的理念融入到設(shè)計(jì)中。這種新型合金可以使用廢品和低級(jí)材料進(jìn)行生產(chǎn)，無需昂貴的添加劑如釩和鋁，而是采用廉價(jià)且豐富的氧氣和鐵。

△該研究論文已發(fā)表在《自然》雜志上，研究題目為“通過3D打印制造實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌性鈦氧鐵合金”

開發(fā)新合金過程中遇到的挑戰(zhàn)

該團(tuán)隊(duì)的合金由兩種形式的鈦晶體組成，即α-鈦相和β-鈦相的混合物，被稱為Ti-6Al-4V。每種形式對(duì)應(yīng)著特定的原子排列。

Ti-6Al-4V是最常見的鈦合金，在傳統(tǒng)生產(chǎn)方法中使用6%的鋁和4%的釩，占據(jù)了鈦合金市場超過50%的份額。而這項(xiàng)新研究則使用氧和鐵代替了鋁和釩。除了易獲取和成本較低外，這些元素還是α-鈦相和β-鈦相的兩種最有效的穩(wěn)定劑和強(qiáng)化劑。

傳統(tǒng)上，含有高含量的鈦和氧的鈦合金面臨著發(fā)展和采用上的挑戰(zhàn)。

Qian評(píng)論道：“一個(gè)挑戰(zhàn)是氧，通俗地描述為‘鈦的氪石’，會(huì)導(dǎo)致鈦?zhàn)兇?；另一個(gè)挑戰(zhàn)是添加鐵可能導(dǎo)致大片β-鈦相形態(tài)的嚴(yán)重缺陷?！?/p>

該團(tuán)隊(duì)通過激光定向能量沉積（L-DED）技術(shù)，成功在新型合金的α-β相界面上實(shí)現(xiàn)了原子級(jí)微觀結(jié)構(gòu)的3D打印

L-DED 3D打印通常用于制造大型復(fù)雜零件，它使得科學(xué)家們能夠調(diào)整合金的機(jī)械性能。他們成功地在合金中創(chuàng)建了納米級(jí)的鈦晶體，并精確控制了氧和鐵原子的分布。這使得合金的某些區(qū)域非常堅(jiān)固，而其他區(qū)域具有延展性，確保材料在受力時(shí)不會(huì)變脆。

悉尼大學(xué)的聯(lián)合首席研究員Simon Ringer教授解釋說：“關(guān)鍵的推動(dòng)因素是氧和鐵原子在α-鈦相和β-鈦相之間以及內(nèi)部的獨(dú)特分布。我們?cè)讦?鈦相中設(shè)計(jì)了納米級(jí)的氧梯度，包括堅(jiān)固的高氧區(qū)域和具有延展性的低氧區(qū)域，這使我們能夠控制局部原子鍵合，從而減輕脆性問題?！?/p>

還有哪些金屬3D打印技術(shù)

選區(qū)激光熔融（SLM）

選區(qū)激光熔融技術(shù)是一種粉末床熔融（PBF）增材制造技術(shù)，它以激光為熱源。在SLM過程中，增材制造的結(jié)果受到參數(shù)的影響，如激光功率、散焦量（光斑大?。?、掃描軌跡、掃描速度、層間距離等，下圖顯示了SLM技術(shù)的原理。激光通過透鏡聚焦到XY掃描鏡上后，通過XY掃描鏡的偏轉(zhuǎn)來調(diào)整激光的位置。零件通過CAD模型進(jìn)行切片，并逐層打印。每層完成后，通過調(diào)平輥對(duì)粉末層進(jìn)行重新鋪設(shè)。SLM技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，如加工速度快、工藝靈活性高、材料利用率高，這使得SLM技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。因此，用SLM技術(shù)生產(chǎn)的純銅零件被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。Wang等人利用SLM技術(shù)在鋼鐵表面生產(chǎn)純銅疏水層。在這項(xiàng)研究中，由于SLM技術(shù)的高靈活性，成功地生產(chǎn)了接觸角高達(dá)160°的涂層。

△選擇性激光熔化（SLM）進(jìn)行增材制造（AM）的示意圖

純銅的優(yōu)點(diǎn)是物理性能優(yōu)良，但也有在熔融狀態(tài)和液態(tài)下對(duì)激光的反射率極高的特點(diǎn)。市面上的SLM設(shè)備使用波長在1000-1100納米之間的激光器。然而，在這個(gè)范圍內(nèi)，純銅對(duì)激光的反射率高達(dá)98%。許多學(xué)者都指出了激光反射的危害。在Jadhav等人的研究中，他們讓光學(xué)涂層在無保護(hù)的情況下暴露12小時(shí)，同時(shí)用波長為1080nm的激光在反射率為90%的銅基材上反復(fù)掃描。下圖顯示了12小時(shí)反射后光學(xué)涂層的損壞情況。圖中顯示了涂層的明顯剝落，這表明了反射激光對(duì)光學(xué)元件的損害。此外，高反射率也會(huì)導(dǎo)致能量損失，造成熱量輸入不足。為了解決由激光反射引起的熱輸入不足的問題，研究人員采取了不同的方法，如使用高功率單模光纖激光器，使用其他波長或頻率的激光來增加吸收率，或在粉末中添加其他元素來增加激光的吸收率。

銅能比1000nm更容易吸收515nm的激光波長。金屬對(duì)激光的吸收率高達(dá)25-40%。因此，采用綠色激光作為銅的SLM 3D打印能源可以減少對(duì)激光能量的需求，并提供聚焦精度。在Prasad等人的研究中，為了保持必要的熱輸入，與鋁、鋼和鈦的添加制造相比，他們使用最大的功率（1千瓦）和最小的速度（0.1米/分鐘）。其他研究人員正在開發(fā)藍(lán)色和紅色激光的SLM技術(shù)，但對(duì)純銅的研究還不多。

選擇性電子束熔化（SEBM）

選擇性電子束熔化（SEBM）技術(shù)作為另一種PBF技術(shù)，其原理與SLM技術(shù)基本相同。如下圖所示，SEBM技術(shù)也是通過三維建模建立零件模型，然后通過電子束的選擇性熔化逐層生產(chǎn)。與SLM技術(shù)不同的是，SEBM使用的熱源是電子束，電子束通過電磁線圈的影響使得電子束選擇熔化區(qū)域的變化。此外，SEBM技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，例如：高真空，避免了制造過程中零件的氧化；低反射率，使其適合加工高再反射率的材料；在大多數(shù)情況下，不需要熱處理，因?yàn)镾EBM成形過程需要對(duì)基材進(jìn)行預(yù)熱；可以使用更高的功率以確保更高的加工率。

△ SEBM過程。左圖：成形室。右圖：建造一層的4步流程。

目前，SEBM技術(shù)被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如人造骨骼、航空航天等。由于材料反射電子和光子的方式不同，SEBM技術(shù)將非常適用于高反射率材料的加工。因此，SEBM技術(shù)可以解決熔融狀態(tài)下銅的高反射率問題。它已經(jīng)吸引了許多研究人員的注意。此外，在純金屬增材制造的情況下，它對(duì)污染物的影響很敏感，特別是氧氣對(duì)零件性能的影響。SEBM的技術(shù)可以避免環(huán)境中氧氣的影響，因?yàn)樗窃谡婵諚l件下進(jìn)行的。然而，在運(yùn)輸和儲(chǔ)存過程中，純銅粉的氧化是不可避免的。Guschlbauer等人對(duì)此進(jìn)行了研究。他們通過使用不同氧含量的粉末生產(chǎn)零件，并研究了氧含量對(duì)零件性能的影響。最后證明，過高的氧化物含量會(huì)引起裂紋和其他缺陷，這將嚴(yán)重影響零件的性能。

粘結(jié)劑噴射（BJ）技術(shù)

粘結(jié)劑噴射（BJ）技術(shù)起源于20世紀(jì)90年代的美國麻省理工學(xué)院。BJ增材制造技術(shù)以PBF技術(shù)為基礎(chǔ)，但在設(shè)備上存在一些差異，下圖是BJ增材技術(shù)的原理圖。我們可以看到，打印系統(tǒng)是由打印頭、撒粉器、加熱燈和打印進(jìn)給床組成的。打印過程是BJ技術(shù)與其他增材制造技術(shù)的主要區(qū)別。當(dāng)粉末鋪設(shè)在打印床上時(shí)，與PBF技術(shù)不同的是，打印頭不會(huì)按照計(jì)劃的路徑發(fā)射高能光束來熔化粉末，而是噴射粘合劑。然后加熱燈會(huì)移動(dòng)到噴灑粘合劑的位置進(jìn)行加熱和固化。當(dāng)粘合的部件被解粉后，部件被放置在高溫爐中進(jìn)行燒結(jié)并熱解粘結(jié)劑。

△粘結(jié)劑噴射工藝步驟的示意圖。

隨著近幾年的發(fā)展，BJ技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于各種材料，如金屬和陶瓷。在目前的研究中，金屬的增材制造引起了更多的關(guān)注。BJ技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于銅、鐵、鋁等純金屬和合金。由于其特殊的優(yōu)勢(shì)，BJ增材制造技術(shù)發(fā)展迅速。與普通的PBF技術(shù)相比，它具有以下優(yōu)勢(shì)：

1. 生產(chǎn)零件沒有尺寸限制；

2.不需要支撐結(jié)構(gòu)；

3.適用材料范圍廣，不需要注意材料的熔點(diǎn)反射率等物理性能，可以與不同材料混合；

4.設(shè)備價(jià)格低，不需要封閉腔體；

5.對(duì)粉末的要求低。

BJ增材技術(shù)的特殊加工工藝適用于高反射率材料的加工，為純銅添加劑的加工提供了新的選擇。早在2015年，Bai等人就探討了用BJ增材技術(shù)生產(chǎn)純銅組件的可行性。文章談到了不同粉末生產(chǎn)的部件的密度、收縮率和拉伸強(qiáng)度的變化。最后，通過調(diào)整工藝參數(shù)得到了下圖所示的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件。采用BJ增材技術(shù)生產(chǎn)的零件的最大密度為85.5%。BJ增材制造技術(shù)生產(chǎn)的零件密度過低，所以零件的抗拉強(qiáng)度低于傳統(tǒng)加工方法生產(chǎn)的純銅零件。密度比低是由于在通過BJ增材制造技術(shù)生產(chǎn)零件的過程中加入了大量的粘合劑。在燒結(jié)過程中，粘合劑被加熱分解后會(huì)留下大量的孔洞，從而降低了零件的密度。同時(shí)，孔的存在也降低了零件的性能。

2021年2月27日，工業(yè)3D打印機(jī)制造商DigitalMetal宣布推出一種新的純銅粉末——DM Cu，適用于粘合劑噴射3D打印技術(shù)。這種材料以優(yōu)異的導(dǎo)熱性而聞名，成為熱交換器、管道、發(fā)動(dòng)機(jī)和電子產(chǎn)品的散熱器等傳熱部件的選擇，用戶可以通過配套的DM P2500 3D打印機(jī)制造出99.9％的純銅組件。據(jù)悉，Digital Metal已經(jīng)通過內(nèi)部的一些測試應(yīng)用對(duì)新型DM Cu粉末進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。首先，公司3D打印了一個(gè)喇叭波導(dǎo)天線，用于引導(dǎo)無線電波的波束。

選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）

選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)起源于20世紀(jì)80年代，其工作原理與SLS相似，只是所使用的材料是含有一定量的低熔點(diǎn)高分子聚合物 。像SLS和BJ這樣的技術(shù)被稱為兩步法，通過打印得到生坯，然后通過后處理的單獨(dú)操作或燒結(jié)來達(dá)到全密度?，F(xiàn)在，該技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)，并逐漸應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。Amorim等人通過SLS技術(shù)研究了銅合金材料和純銅材料之間的EDM電極性能差異。這項(xiàng)研究為工業(yè)界提供了一個(gè)新的思路。雖然最后的結(jié)論發(fā)現(xiàn)效果并不理想，因?yàn)榱慵?nèi)部有大量的孔，純銅通過SLS制作的EDM電極無法達(dá)到良好的工作效果，但這也為今后的研究指明了方向。

超聲波增材制造（UAM）

超聲波增材制造（UAM）技術(shù)與SLM和SEBM增材制造技術(shù)不同。在UAM增材制造的過程中，不需要熱源。UAM技術(shù)中的一小部分熱量是由摩擦產(chǎn)生的，所以大多數(shù)學(xué)者更愿意用擴(kuò)散結(jié)合和摩擦攪拌焊接來與UAM進(jìn)行比較。有學(xué)者認(rèn)為，UAM增材制造技術(shù)的結(jié)合機(jī)制是兩片金屬片之間的粘滑運(yùn)動(dòng)。這種結(jié)合機(jī)制介于擴(kuò)散結(jié)合和攪拌摩擦焊接的結(jié)合機(jī)制之間。

△UAM技術(shù)原理示意圖

由于商業(yè)化的UAM增材制造設(shè)備功率較低，它只適合于加工一些材料，如薄鋁。因此，愛迪生焊接研究所開發(fā)了一種高功率UAM增材制造技術(shù)，即 “極高功率超聲增材制造”（VHP UAM）。這也為純銅的UAM增材制造提供了新的方法和思路。在Sriraman等人的研究中，研究了純銅VHP-UAM添加劑制造的結(jié)合特性。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，150微米的銅箔被用作VHP-UAM添加劑制造的原材料。零件的硬度測試表明，在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了明顯的軟化和增強(qiáng)的塑性流動(dòng)。加工前原材料的晶粒尺寸為25微米，經(jīng)過短時(shí)間加工后在界面上形成了0.3-1.0微米的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)。這種現(xiàn)象使冶金結(jié)合通過晶界遷移，并使帶子連續(xù)焊接形成三維截面。目前，關(guān)于UAM增材制造銅制復(fù)雜零件技術(shù)的研究并不多。一方面，它受到技術(shù)本身的限制，另一方面，它受到零件性能的限制。目前的研究大多是利用UAM快速成型技術(shù)制造由不同材料組成的零件，并研究其成型機(jī)制。復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造一般是指生產(chǎn)具有復(fù)雜通道的零件。

激光金屬沉積技術(shù)（LMD）

激光金屬沉積技術(shù)（LMD）是一種定向能量沉積（DED）的近凈成形技術(shù)，該技術(shù)有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，雖然該技術(shù)的成形精度遠(yuǎn)不及PBF技術(shù)，但面對(duì)大型零件的生產(chǎn)和修復(fù)，該技術(shù)可以發(fā)揮巨大的作用。LMD技術(shù)與SLM技術(shù)相同，都是以激光作為熱源。近年來，LMD技術(shù)在業(yè)界引起了很大的關(guān)注。Arregui等人在2018年研究了LMD增材制造金屬零件的幾何限制。結(jié)果顯示，在不調(diào)整激光頭的情況下，90-60°可以獲得良好的成型零件。Singh等人檢測了LMD生產(chǎn)的1-3毫米的純銅包覆層，發(fā)現(xiàn)其結(jié)合強(qiáng)度可以達(dá)到48MPa，且耐腐蝕性好。它可以在活性腐蝕條件下保存很多年，但孔隙問題仍需迫切解決。Yadav等人通過PBF工藝確定了LMD的工藝窗口，最終獲得了密度高達(dá)99%的成型件，其拉伸性能經(jīng)測試高于傳統(tǒng)銅件。

△激光金屬沉積 (LMD)技術(shù)

基于FFF原理的擠出式打印技術(shù)

國內(nèi)金屬陶瓷間接3D打印引領(lǐng)者深圳升華三維開發(fā)出一種擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的粉末擠出打印技術(shù)（Powder Extrusion printing，PEP），該工藝克服了純銅材料3D打印制造領(lǐng)域的挑戰(zhàn)，在純銅3D打印上一舉填補(bǔ)國內(nèi)空白?；赑EP技術(shù)3D打印純銅不需要高能激光束，巧妙地避開了純銅打印過程中的高導(dǎo)熱率、高反射率的問題，通過先打印生坯，然后再經(jīng)過脫脂、燒結(jié)，得到純銅零件。在打印過程中，想要獲得高致密度或高導(dǎo)電導(dǎo)熱純銅制件，其純銅打印材料配方和脫脂燒結(jié)的工藝要求也非常高，升華三維純銅顆粒料UPGM-CU則十分適配于純銅3D打印，其保持原料高純凈度的同時(shí)還具有更易實(shí)現(xiàn)致密化的特性，能滿足不同銅零件的打印需求。升華三維自主研發(fā)的3D打印設(shè)備，可以加工純銅及其合金材料以制造致密的部件，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于熱交換器、散熱器和電感應(yīng)器的產(chǎn)品開發(fā)中。

△升華三維間接3D打印流程

德國初創(chuàng)公司TSI開發(fā)了一種熔絲FFF3D打印工藝，可以在絲材中加入金屬或陶瓷顆粒，并最終得到金屬或陶瓷部件，從而為空間應(yīng)用提供制造能力。作為歐空局的孵化企業(yè)，TSI注重材料的熱和機(jī)械性能。基于高的導(dǎo)熱性，純銅的3D打印一直備受關(guān)注，TSI希望能夠推出低成本的3D打印解決方案。在2021年6月，該公司成功采用FFF技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高密度、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、無氧純銅散熱器打印。

冷噴涂增材制造

冷噴涂是一種利用固態(tài)粉末顆粒自固結(jié)能力而實(shí)現(xiàn)顆粒相互結(jié)合的粉末沉積方法，在高速?zèng)_擊的條件下，這種粉末的自固結(jié)才能得以實(shí)現(xiàn)。該過程利用動(dòng)能的力量，而不是依賴高功率激光和昂貴的氣體，以很低的成本進(jìn)行金屬3D打印。

△高/低壓冷噴涂設(shè)備系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

SPEE3D金屬3D打印機(jī)的供應(yīng)商（特有冷噴涂技術(shù)），也是當(dāng)前澳大利亞陸軍制造合作伙伴，已被美國海軍選中參加代號(hào)為MaintenX演習(xí)，通過本次合作，意在推動(dòng)將3D打印部署在實(shí)戰(zhàn)中。SPEE3D工藝的最大優(yōu)勢(shì)是3D打印成本低，縮短時(shí)間。例如，下圖所示的銅輪僅在2.8分鐘內(nèi)完成，成本僅為10美元，這是一個(gè)巨大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

光固化技術(shù)

2021年8月，美國Holo公司推出了一項(xiàng)使用光聚合物漿料和立體光刻技術(shù)（SLA）來制造精密金屬部件的技術(shù)——PureForm，目前在國內(nèi)目前還很少見。這項(xiàng)技術(shù)的具體工作原理是：

① 制備專有的金屬-聚合物漿料；

② 用光固化3D打印機(jī)進(jìn)行打?。?/p>

③ 得到密集的金屬微粒聚合物基體；

④ 脫脂；

⑤ 燒結(jié)得到完全致密的零件

因?yàn)椴捎霉夤袒夹g(shù)打印，所以精度比較高，能夠制造出150-200微米的結(jié)構(gòu)。Holo公司的漿料具有極佳的分散性，在打印過程中可形成均勻的層厚，打印機(jī)可在不到10s的時(shí)間內(nèi)固化新層。目前，Holo通過DLP+脫脂燒結(jié)工藝成型的純銅的致密度平均為96-98%，足以達(dá)到大塊銅95%的導(dǎo)熱率和導(dǎo)電率。此外，該工藝還可能會(huì)減少激光打印產(chǎn)生的裂紋問題。

△立體光刻技術(shù)——PureForm

審核編輯：劉清