假設(shè)您對增材制造 (AM)(通常稱為 3D 打印)一無所知。鑒于這種改變行業(yè)的技術(shù)已經(jīng)伴隨我們超過 30 年，這種假設(shè)極不可能，但仍然是這篇“傻瓜”式文章背后的前提。如果您已經(jīng)是該主題的專家，請隨意去做一些更有趣的事情，例如 3D 打印一些很酷的部分或狂歡觀看最新的 Netflix 系列。
對于其他所有人，讓我們從一個(gè)非常簡單的增材制造概述開始。美國材料與試驗(yàn)協(xié)會 (ASTM) 認(rèn)可的七種增材制造技術(shù)中的每一種都以所需工件的 3D CAD 模型開始。該文件在被送入 3D 打印機(jī)之前，像一條面包一樣被數(shù)字化渲染成數(shù)千甚至數(shù)十萬張紙一樣薄的薄片。
該燃燒器內(nèi)襯是在 Velo3D 的藍(lán)寶石系統(tǒng)上使用 Amperprint 0233 Haynes 282 合金 3D 打印而成。(由 Velo3D 提供)
幾種最常見的技術(shù)使用激光或 LED 光源將每一層的輪廓和內(nèi)部部分連續(xù)追蹤到樹脂桶或金屬或聚合物粉末床的表面，從而固化這些區(qū)域。一旦每一層都完成，額外的材料就會被拉過新興的工件，這個(gè)過程會繼續(xù)，從下到上一遍又一遍，直到零件完成。
還有一些系統(tǒng)使用像熱膠槍這樣的擠壓頭來制造零件。一些噴射金屬粉末或?qū)⒓?xì)線噴射到聚焦能源(激光或電子束)的路徑中，從而將熔融金屬沉積到工作表面上，而另一些則選擇性地將聚合物粘合劑噴射到粉末床上，形成“綠色”部件之后必須在烤箱中燒結(jié)。存在其他方法，其他細(xì)節(jié)將隨之而來，但簡而言之，這就是 AM。很簡單，對吧?
一個(gè)行業(yè)的誕生
如前所述，AM 已經(jīng)陪伴我們很長時(shí)間了。它曾經(jīng)僅限于聚合物打印，后來擴(kuò)展到工程級陶瓷、含有碳纖維或芳綸 (Kevlar) 的復(fù)合材料，也許最引人注目的是金屬及其各種合金。我們將在未來的增材制造行業(yè)報(bào)告中討論聚合物和其他非金屬材料的 3D 打印——不過，這份報(bào)告的平衡點(diǎn)將集中在金屬增材制造上，它更年輕(目前更小但速度最快) -不斷增長的)已成為數(shù)十億美元市場的部分。
德國 Krailling 的 Electro Optical Systems (EOS) 創(chuàng)始人 Hans Langer 可能會爭論“年輕得多”的觀點(diǎn)。1994 年，也就是立體光刻發(fā)明者 Charles Hull 創(chuàng)立 3D Systems 僅八年之后，Langer 的公司利用他們在聚合物粉末印刷(也稱為選擇性激光燒結(jié)或 SLS)方面的專業(yè)知識推出了 EOSINT M 160，這是他和許多其他人都認(rèn)為的機(jī)器成為第一臺金屬3D打印機(jī)。
DMLS 3D 打印在 Stratasys Direct Manufacturing 位于德克薩斯州奧斯汀的工廠進(jìn)行。(由 Stratasys 提供)
這臺機(jī)器使用了鎳和青銅等粉末金屬的混合物來打印具有類似于通過金屬注射成型 (MIM) 技術(shù)制造的機(jī)械性能的部件。這顯然是一個(gè)巨大的飛躍，但 EOS 開始銷售能夠制造“全致密”金屬部件的 3D 打印機(jī)還需要十年時(shí)間，從而為在航空航天、醫(yī)療、交通和能源行業(yè)越來越廣泛地采用打開了大門。
Langer 和他的團(tuán)隊(duì)將這種早期技術(shù)稱為“直接金屬激光燒結(jié)”或 DMLS，這是一個(gè)不再完全準(zhǔn)確的首字母縮略詞。如前所述，那些早期的粉末床機(jī)器需要青銅或類似的低熔點(diǎn)金屬作為粘合劑。相比之下，現(xiàn)代 DMLS 打印機(jī)具有足夠的激光功率來熔化或“熔合”最耐熱的材料，包括鈦、鉻鎳鐵合金、哈氏合金以及鎢和鈮等難熔金屬。這就是為什么 EOS 將 DMLS 動詞“sintering”替換為“schmelzen”(德語為“熔化”)，這是一個(gè)更準(zhǔn)確的術(shù)語，也允許他們保留其長期存在的商標(biāo)首字母縮略詞。
細(xì)讀粉床融合
撇開簡短的歷史教訓(xùn)不談，EOS 與其他 3D 打印機(jī)制造商競爭激烈，許多都有自己的特殊首字母縮略詞。例如，SLM Solutions Group AG 為其同名的金屬粉末床技術(shù) SLM(選擇性激光熔化的縮寫)注冊了商標(biāo)。Concept Laser 現(xiàn)在是 GE Additive 的一部分，擁有 LaserCUSING 技術(shù)，3D Systems 提供 DMP(直接金屬打印)，TRUMPF 開發(fā)了激光金屬熔合 (LMF)，Velo3D 提供其藍(lán)寶石系統(tǒng)及其底層智能融合工藝。
DMP Factory 350 Dual 具有集成粉末管理和雙激光器配置，可提高生產(chǎn)力并降低運(yùn)營成本。(由 3D Systems 提供)
所有這些都是激光粉末床熔合 (LPBF) 的示例，它是 ASTM International 描述為粉末床熔合 (PBF) 技術(shù)的金屬子集，其中還包括聚合物印刷。顧名思義，LPBF 打印機(jī)使用金屬粉末床，上面放置一個(gè)或一系列激光，執(zhí)行一開始描述的任務(wù)——跟蹤輪廓和光柵，或者以其他方式填充每個(gè)數(shù)字零件層的內(nèi)部。這會形成一個(gè)小的熔化金屬“池”，一旦激光通過，它就會與下面的層融合、冷卻并立即凝固。
與 LPBF 密切相關(guān)的是電子束熔化 (EBM)，正如您可能猜到的那樣，它使用電子束代替激光來進(jìn)行熔化。在撰寫本文時(shí)，只有一個(gè)主要的 EBM 供應(yīng)商存在——Arcam，現(xiàn)在歸 GE Additive 所有。盡管有能量輸送方法，但這兩個(gè)過程非常相似。兩者都比目前描述的要復(fù)雜得多，這就是每個(gè) 3D 打印機(jī)制造商開始將自己與其他產(chǎn)品區(qū)分開來的地方。
例如，制造商加熱他們的金屬粉末床以減少當(dāng)激光或高能電子撞擊冷金屬粉末時(shí)發(fā)生的熱沖擊——根據(jù)材料、打印機(jī)和零件幾何形狀，這個(gè)溫度可能是幾百攝氏度(約 600 °F) 或更高。
而且由于氧氣和濕度會對電子束和熔融熔池造成各種破壞，并且還容易與鈦和鋁等金屬發(fā)生反應(yīng)，因此必須嚴(yán)格控制金屬 3D 打印機(jī)構(gòu)建室內(nèi)的環(huán)境。在大多數(shù)情況下，會產(chǎn)生真空以從腔室中抽出空氣和其他雜質(zhì)，然后用??精確量的氬氣或類似的惰性氣體填充腔室。同樣，每個(gè)建造者都有自己獨(dú)特的方法，即使每個(gè)建造者都必須遵循相同的物理定律。
支撐和表面
另一個(gè)重要的考慮因素是每層完成后引入新鮮原材料的方法。一些 3D 打印機(jī)使用硬金屬或塑料刀片在快速生長的工件上刮下一層薄薄的粉末。其他人使用滾筒，在材料進(jìn)行時(shí)壓實(shí)，有些人采用剛性橡膠刮刀方法或替代的非接觸式重涂機(jī)系統(tǒng)。在所有情況下都面臨的挑戰(zhàn)是在不一定平坦的表面上輸送一致且可預(yù)測的粉末量，并且實(shí)際上可能具有小突起和鋒利的邊緣，可以在刀片通過時(shí)抓住刀片，不幸的事件被稱為“撞到建造。”
最后一點(diǎn)將我們引向激光粉末床融合的圣杯——管理導(dǎo)致單個(gè)零件層在構(gòu)建過程中翹曲或向上卷曲的強(qiáng)烈熱應(yīng)力，這些應(yīng)力需要隨后進(jìn)行熱處理來緩解。與某些類型的聚合物打印一樣，這里的解決方案是將零件錨定到構(gòu)建板(構(gòu)建大多數(shù)金屬零件的可移動夾具)以及使用戰(zhàn)略性放置的類似腳手架的結(jié)構(gòu)的其他零件或零件部分。然而，精確控制構(gòu)建室內(nèi)的激光輸出和氣氛有助于減少或在某些情況下消除對此類結(jié)構(gòu)的需求。
無論如何，一旦使用高精度鋸或電火花線切割機(jī)將 3D 打印部件從構(gòu)建板上切下，則必須通過 CNC 加工、手動或機(jī)器人磨削或振動去毛刺方法去除這些“支撐”。這也是一個(gè)機(jī)會來平滑大多數(shù) AM 工藝產(chǎn)生的特征性粗糙表面光潔度，并完成機(jī)器緊公差或應(yīng)用關(guān)鍵部件特征。所有這些都是 3D 打印過程中不可或缺的一部分。出于這個(gè)原因，金屬 3D 打印和傳統(tǒng)機(jī)械加工(又稱減材制造技術(shù))將在可預(yù)見的未來繼續(xù)相互補(bǔ)充。
直接存款
與 LPBF 和 EBM 相比，金屬 AM 貓的剝皮方法更多。其中之一是定向能量沉積 (DED)，這種技術(shù)通常用于修復(fù)渦輪葉片等部件，但也非常適合從頭開始構(gòu)建金屬部件。與激光粉末床(實(shí)際上是所有 3D 打印技術(shù))一樣，存在許多特定于品牌的迭代，其中包括 Optomec 的激光工程凈成形 (LENS)、通快的激光金屬沉積 (LMD) 和 Precision Optical 的直接金屬沉積 (DMD)制造 (POM)。
此處展示的是 Optomec 的 HC-245 5 軸激光粉末熔合 (LPF) 熔覆和焊接系統(tǒng)，專為中小型部件的修復(fù)或堆焊而設(shè)計(jì)。(Optmec 提供)
許多 DED 系統(tǒng)將金屬粉末流注入到指向現(xiàn)有工件或構(gòu)建板上的高功率激光的路徑中。當(dāng)兩者合并時(shí)，在表面上形成熔池，導(dǎo)致材料在明確定義的區(qū)域內(nèi)凈沉積。對于鈦等反應(yīng)性金屬，需要一個(gè)充滿惰性氣體的密封構(gòu)建室，否則將使用圍繞光束并從構(gòu)建區(qū)域消除氧氣的保護(hù)氣體用于反應(yīng)性較低的合金，例如不銹鋼。
其他 DED 機(jī)器制造商消耗線材而不是金屬粉末。其中之一是 Sciaky 的 EBAM，是電子束增材制造的縮寫。但也有 Norsk Titanium 的快速等離子沉積 (RPD)、Gefertec 的 3DMP(3D 金屬打印)、Lincoln Electric 和 WAAM(電弧增材制造)等等。從廣義上講，無論是wire-DED、DED-arc 還是WAAM，都屬于DED 保護(hù)傘。
具有諷刺意味的是，這最后一種是已知最早的金屬增材制造形式。1925 年，賓夕法尼亞州威爾金斯堡的發(fā)明家拉爾夫·貝克和他的雇主西屋電氣公司為貝克的“制造裝飾物品的方法”申請了專利。它描述了使用電弧焊“生產(chǎn)具有裝飾性和有用形狀的容器或容器”，這一過程與當(dāng)今的金屬絲包覆、硬面處理和其他眾所周知的構(gòu)建零件表面的方法幾乎沒有區(qū)別。
Baker 時(shí)代的變化是使用 CNC 龍門架或機(jī)器人運(yùn)動控制來驅(qū)動沉積頭，使其能夠在三個(gè)維度上追蹤復(fù)雜的零件幾何形狀。這為 DED 提供了極大的靈活性，更不用說它的生產(chǎn)力了。一些 DED 系統(tǒng)在各種高性能合金(銅、鈦、不銹鋼和難熔金屬等)中的沉積速率為每小時(shí)十幾公斤。
這種為 Arcimoto 的 Fun Utility Vehicle 設(shè)計(jì)的后擺臂采用基于樹脂的 3D 打印模具圖案鑄造而成。(由 Nexa3D 提供)
例如，美國宇航局正在探索使用基于粉末的 DED 來建造數(shù)米寬的排氣噴嘴。同樣，Relativity Space 成功地 3D 打印了同樣巨大的燃料箱，據(jù)說已經(jīng)將建造典型火箭所需的部件從 100,000 個(gè)減少到僅 1000 個(gè)。林肯電氣和其他 DED 供應(yīng)商能夠快速生產(chǎn)曾經(jīng)需要數(shù)月才能建造的大型工具和機(jī)械部件。通過像機(jī)器制造商 DMG MORI、Okuma 和 Mazak 那樣為五軸加工中心配備 DED 頭，可以在一次操作中完成所謂的高精度和復(fù)雜工件的混合制造。
走向成功
粉末也可以以其他方式涂抹。例如，Markforged 開發(fā)了將金屬粉末與蠟狀材料結(jié)合成長絲線軸的方法，這些線軸看起來很像在除草機(jī)中發(fā)現(xiàn)的線軸。與基于聚合物的熔絲制造 (FFF) 的操作相同，這種金屬填充材料通過加熱的擠壓頭進(jìn)料并沉積到下方的工作表面上，從而構(gòu)建零件。完成后，將它們清洗以去除大部分粘合劑，然后在爐中燒結(jié)直至固化。他們稱他們的工藝金屬 FFF。
Desktop Metal 發(fā)明了一種類似的技術(shù)。其 Studio System 采用結(jié)合金屬沉積 (BMD)，顧名思義，它依靠預(yù)先包裝的結(jié)合金屬粉末棒逐層擠壓來構(gòu)建工件。然而，這些部件不是經(jīng)過二次清洗操作，而是經(jīng)過兩階段燒結(jié)過程。這兩種系統(tǒng)都旨在簡化打印過程并消除對松散金屬粉末的需求，從而使其可以在均勻的辦公環(huán)境中使用。
然后是粘合劑噴射。在這里，基于聚合物的粘合劑選擇性地噴涂在金屬粉末床的表面上，暫時(shí)將顆粒固定在一起。與 LPBF 系統(tǒng)類似，然后將一層新鮮粉末拉過表面并重復(fù)該過程，最終產(chǎn)生“綠色”零件。與其他依賴燒結(jié)的增材制造系統(tǒng)一樣，這些相對脆弱的結(jié)構(gòu)必須在溶劑中清洗或用紫外線固化，然后才能進(jìn)入烤箱進(jìn)行最后的熔合過程，在那里它們變得完全致密。
除了基于燒結(jié)的技術(shù)之外，還有更多。例如，F(xiàn)abrisonic 的超聲波增材制造 (UAM) 使用“喇叭”將極高頻聲波投射到金屬薄片上，將它們粘合在一起。即使是鈦和鋁等不同的金屬也可以連接起來形成金屬三明治，當(dāng)與 CNC 銑頭結(jié)合使用時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)包含集成電子設(shè)備的復(fù)雜部件。然后是 Hybrid Manufacturing Technologies 的 Jason Jones，他發(fā)明了激光熔覆和聚合物擠出頭，可以改裝到任何 CNC 銑床、多任務(wù)車床或機(jī)械臂上。機(jī)床制造商 Matsuura 和 Sodick 通過將金屬增材制造集成到某些型號的立式加工中心中，使 LPBF 更進(jìn)了一步，
外賣?金屬 3D 打印才剛剛起步。
設(shè)計(jì)和成本考慮
如果沒有簡要提及增材制造零件的設(shè)計(jì)，任何有關(guān)金屬增材制造的文章都是不完整的，許多人將其稱為 DfAM。在某些方面，這是對話中最重要的部分，尤其是在金屬 AM 方面。這是因?yàn)樗行问降?3D 打印——金屬、聚合物或其他形式——都為設(shè)計(jì)師提供了以前無法獲得的機(jī)會，以制造更強(qiáng)大、更輕、更有效的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品已針對預(yù)期應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。
然而，利用這些功能取決于兩件事——設(shè)計(jì)師的技能和她使用的軟件。實(shí)現(xiàn)其中的第一個(gè)需要教育、經(jīng)驗(yàn)和不小的努力。好消息是 3D 打印機(jī)制造商和增材制造社區(qū)通常為每個(gè)人提供大量資源，更不用說包括賓夕法尼亞州立大學(xué)在內(nèi)的大學(xué)已經(jīng)開始提供增材工程學(xué)位的事實(shí)。對于一個(gè)年輕人(甚至是一個(gè)不那么年輕的人)來說，這是從事制造業(yè)的好時(shí)機(jī)。
至于與 AM 相關(guān)的軟件，CAD 行業(yè)在跟上并在某些情況下超越 3D 打印機(jī)開發(fā)方面做得很好，現(xiàn)在提供的產(chǎn)品遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了之前提到的切片和構(gòu)建準(zhǔn)備工具。拓?fù)鋬?yōu)化、衍生式設(shè)計(jì)、增材制造工作流程管理——這些只是大大小小的增材制造商可用的系統(tǒng)中的一小部分，所有這些都有助于使增材制造零件設(shè)計(jì)更加穩(wěn)健，3D 打印過程更加高效。
這一切都有一些很好的理由。增材制造承諾了許多遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出工廠車間的好處。正如 Velo3D 首席執(zhí)行官 Benny Buller 最近所說，AM 使本地打印和全球顛覆成為可能。這個(gè)看似簡單的說法卻有著深遠(yuǎn)的意義。這意味著更短的供應(yīng)鏈、更快的設(shè)計(jì)和開發(fā)周期、更少的設(shè)備停機(jī)時(shí)間和更高的產(chǎn)品效率。也許最重要的是，這意味著更少的浪費(fèi)——在時(shí)間、能源和自然資源等方面，所有這些對地球和依賴她的人們來說都是好消息。
