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金属3D打印目前正在兴起。本指南将向您展示如何最大限度地利用金属增材制造。获得今天的金属3D打印景观的完整概述,掌握其独特的优点和局限性,并学习何时和如何使用三种最流行的金属3D打印技术:DMLS/SLM,粘合剂喷射和金属挤压。

第一部分

最基本的

金属3D打印机如何工作?它们的主要优点和局限性是什么?金属3D打印在当今行业中的应用情况如何?


在本节中,我们将回答这些问题,我们将更多地了解每个金属3D打印过程的基本机制。通过与“传统”制造的比较,您将您更深入地了解金属3D印刷的当前状态及其巨大潜力。

金属3D打印机如何工作?

和其他的一样3 d打印技术在制造过程中,金属3D打印机基于数字3D设计,通过一次添加一层材料来制造零件——因此有了另一种说法加法制造

这样,零件可以用“传统”减法无法制造的几何形状来制造(数控加工)或成型(金属铸造)技术,且无需专用工具(例如模具)。

金属3DP基本步骤

从这里开始,每个金属3D打印机制造零件的具体步骤因技术而异:

粉床融合


采用高功率激光(在DMLS/SLM中)或电子束(在EBM中)选择性地将金属粉末颗粒粘结在一起,逐层形成金属零件。


制造商:EOS三维系统英国SLM的解决方案概念激光Arcam

粘结剂喷射


金属粉末颗粒通过粘合剂一层一层地粘合在一起,形成需要热后处理(烧结)的“绿色”零件,以去除粘合剂并形成完全金属零件。


制造商:桌面金属外来数字金属惠普

金属材料挤压


由聚合物和大量金属粉末组成的细丝或棒通过喷嘴挤压(如FDM),形成“绿色”部分,并进行后处理(脱脂和烧结),以创建全金属部分。


制造商:桌面金属Markforged

直接能量沉积


金属粉末或金属丝用高能源熔化,选择性地逐层沉积。


制造商:OptomecSciaky

超声波加法制造


金属箔采用超声波焊接逐层粘合,数控加工成设计形状。


制造商:Fabrisonic.

其他过程


其他金属3D打印系统已经在塑料3D打印技术(如材料喷射或SLA)的基础上发展了多年。

3D打印也被用于制造“传统”金属制造工具,例如砂铸造投资铸造


制造商:XJet外来

今天,最常用的金属3D打印过程是直接金属激光烧结(DMLS)/选择性激光熔化(SLM),紧随其后的是粘结剂喷射金属挤压

如果您想深入了解这些技术的基本原理、特殊优势和局限性以及每种技术的功能,请直接跳到本指南的下一部分。

在本节的其余部分,我们将重点介绍适用于所有流程的金属3D打印的一般方面。我们还将探讨它们如何与“传统”制造工艺进行比较。通过这种方式,您将更广泛地了解如何最大限度地利用这种独特的制造技术。但首先,我们来上一节简短的历史课……

金属3D打印的简史

  • 在80年代末,卡尔·德卡德博士德克萨斯大学的研究人员开发了第一台激光烧结3D塑料打印机。这项发明为金属3D打印铺平了道路。
  • 第一项激光熔化金属的专利于1995年由美国联邦理工学院申请弗劳恩霍夫研究所在德国。公司喜欢EOS许多大学引领着这一进程的发展。
  • 在1991年,博士伊斯兰克麻省理工学院的一名工程师介绍了一种3D打印工艺,如今被称为Binder Jetting。金属的粘结剂喷射被许可外来1995年。
  • 金属3D打印在2000年代经历了缓慢但稳定的增长。这种情况在2012年之后发生了变化,当时原始专利开始到期,像这样的公司进行了大量投资通用电气惠普DM.
  • 今天,沃勒的报告据估计,金属3D打印将成为一个价值7.2亿美元的市场,而且增长迅速。仅在2017年,金属3D打印机的销量就增长了80%。

金属3D打印的优点和局限性

金属3D打印是一种强大的工具,有许多独特的好处,理解这一点很重要。然而,当涉及到金属部件制造时,它目前的局限性并不总是使其成为最佳选择。

在这里我们总结了金属3D打印最重要的优点和缺点。利用它们来了解金属3D打印技术的现状以及在不远的将来的发展方向。

金属3D打印的好处

几何复杂性,没有额外的成本

与“传统”制造相比,金属3D打印的最大优势是其独特的设计灵活性。由于不需要特定的工具(例如,一个模具或切割工具),不可能通过其他过程制造的几何图形很容易3D打印。

更重要的是,增加零件的几何复杂性对其制造成本几乎没有影响。这意味着有机的、拓扑优化的结构可以与金属3D打印一起使用,以极大地提高生产部件的性能。

学习如何设计金属3D打印→

轻量级的结构优化

金属3D打印的巨大设计灵活性与轻质结构的创造携手并进。事实上,遵循金属3D打印的最佳设计实践总是能提供一个轻量级的解决方案。

通常,先进的CAD技术,如拓扑优化和生成设计,通常用于这一目的。

这导致零件重量减轻(通常为25%至50%)且刚度更高。这对于航空航天等行业的高端应用至关重要。

学习如何设计金属3D打印→

增加了部分功能

自从工具访问在金属3D打印中不是一个问题,具有内部结构的部件可以制造。

例如,共形冷却的内部通道是提高零件性能的一个很好的方法。注射成型芯与保形冷却-制造通过DMLS/SLM-可减少注射周期高达70%。

增加部件功能的另一个例子来自金属挤压.使用此过程,可以在需要时创建自定义夹具和具有复杂几何形状的夹具,从而提高生产地板上其他工业过程的操作效率。

将装配物合并到单个部分中

金属3D打印的另一个巨大强度是它能够将装配物合并成单个。

这就消除了对紧固件的需求,从而产生了可以同时具有多种功能的部件。同时,人工成本和交货期最小化,维护和服务要求也降低了。

另外一个好处是,减少零件总数是创建轻量级结构的另一种方法。

更简单的制造供应链

即使使用“传统”方法具有复杂几何形状的零件是可制造的,也可以使用20个或更多的生产步骤来执行此操作。

在这些情况下,金属3D打印应被视为有效的制造选项。例如,使用粘合喷射,可以减少到五个或更小(包括后处理和整理)的总步长数。这样,制造供应链的复杂性大大减少了。

优秀的材料特性

与塑料的3D打印相反,使用DMLS/SLM或Binder Jetting制造的零件显示出各向同性的力学行为。此外,它们的材料强度可与变形金属相媲美(在某些情况下甚至更好)。由于这个原因,金属3D打印零件已经在最苛刻的行业中找到了应用,比如航空航天。

但请注意,3D打印部件的疲劳强度通常较低。这是由于它们的表面粗糙度和内部孔隙率(通常,DMSL/SLM零件的孔隙率< 0.2%,Binder Jetting零件的孔隙率< 2%)。

金属3D印刷的限制

比传统制造成本更高

与传统的制造方法相比,金属3D打印的成本是相当高的。平均而言,一个典型的DMLS/SLM零件的3D打印和加工成本约为5,000至10,000美元。因此,重要的是要记住,金属3D打印的使用只有在与性能的显著改善相联系的情况下才具有经济意义。

尽管如此,人们还是需要负担得起的金属3D打印解决方案。新的台式金属挤压系统和生产粘合剂喷射系统将在不久的将来填补这一空白。

了解更多关于金属3D打印的成本→

有限的规模经济

金属3D打印的另一个限制是,当涉及到更大的产量时,它还不能与传统制造竞争。

缺乏定制工具意味着启动成本较低,但总制造成本不会受到生产量的显着影响。换句话说,单位价格几乎不变,在较高的数量和规模经济中不能踢。

然而,该行业正在努力迈向能够简化生产的金属3D打印系统。例如,具有多个激光器和粘合剂喷射系统的DMLS / SLM机器目前正在进入市场。

一套独特的设计规则

金属3D打印零件的设计遵循一套不同于“传统”制造的规则。这通常意味着现有的设计必须重新设计。

此外,旧CAD软件提供的工具可能不足以充分利用金属3D打印的益处。为了广泛地介绍了主要的设计考虑,高级CAD工具和金属3D打印的设计规则,跳转到本指南的最后一部分。

了解有关金属3D打印设计的更多信息→

后处理几乎总是需要

几乎每一个3D打印的金属部件在使用前都需要一些后处理。这增加了总成本和交货时间。

独立于选定的技术,热处理、机械加工、抛光和其他精加工方法的组合几乎总是需要生产最终零件。在后面的部分中,我们将详细介绍每种技术的必要后处理步骤。

金属3D打印的应用

这里我们收集了金属3D打印的关键工业应用实例。它们说明了该技术的一些主要优点和局限性。使用它们可以更好地理解为什么工程师选择金属3D打印用于他们的特定应用。

空间
医疗保健
汽车
工具
研发

空间

制造轻型结构对航天工业至关重要。目前将一公斤有效载荷发射到太空的费用约为1万至2万美元。因此,金属三维打印拓扑优化零件具有很大的潜力。


Optisys例如,是微天线产品的提供商。它们使用DMLS / SLM将其跟踪天线阵列的离散块数量从100从100减少1.通过这种简化,OptiSys管理到从11个月到两个,同时降低了95%的重量。


阅读3D打印手册中的完整故事→

3DP 101 -应用-空间

医疗保健

创造有机结构的能力,个性化的解剖每个人,使金属3D打印非常吸引医疗行业的解决方案。今天,由生物相容性材料(如钛)制成的医用植入物是金属3D打印的主要用途之一。


早在2007年,Guido Grappiolo博士是第一位植入3D打印髋杯植入物的外科医生。借助LimaCorporateArcam他设计了Delta-TT杯(Delta-TT Cup),这是一种具有晶格结构的钛植入物,可以加速患者康复和骨骼生长。十年后,超过10万个这样的髋关节杯被成功地植入到患者体内。


读完整的故事→

摘要/ SLM髋关节植入物

汽车

在汽车工业中,金属3D打印作为末端零件的制造选择的采用正在迅速增加。目前,金属3D打印的主要应用是高性能和竞速。


涂代尔夫特配方学生团队是该运动历史上最成功的团队之一,使用DMLS为其配方轿车制造他们的拓扑优化支架。该支架是车轮和底盘之间的主连接点,它设计用于承受高达400千克的力。重新设计的钛支架具有一半的重量和两倍于钢的等效部件的强度。


读完整的故事→

工业工装

今天使用金属3D打印来创建具有额外功能的工业工具。这些高级工具可以大大提高其他原因的生产力。


例如,带有内部共形冷却通道的金属模具可以使用DMLS/SLM 3D打印制造。这些冷却通道可以打印成任何形状,比减法方法更接近零件。一个印刷金属模具的成本约为1万美元,相比之下,同样的模具如果是数控加工,成本为4000美元。增加的成本带来了显著的性能改进。用户报告的注入周期缩短了60%到70%,几乎没有废料。


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产品开发

金属挤压的主要应用是制造金属原型。与其他内部解决方案相比,金属挤出提供的时间可以大大减少新工程产品的上市时间。


Lumenium是一家开发创新内燃机的初创公司。他们正在寻找一种更快、更经济的方法来制作引擎部件的原型。传统上,它们的开发周期大约是3.5年。通过在他们的工作流程中加入Metal Extrusion,他们估计他们将开发时间减少了25%,减至2年9个月。

金属3D印刷材料

可用于金属3D打印的金属材料数量正在迅速增长。工程师现在可以选择合金包括:

  • 不锈钢
  • 工具钢材
  • 钛合金
  • 铝合金
  • 镍基超合金
  • 钴铬合金
  • 含铜合金
  • 贵金属(金、银、铂……)
  • 稀有金属(钯、钽…)


有关最常见金属3D打印合金的特性和应用的更多信息,请点击以下链接:

金属3D打印的成本

金属3D打印机的成本因技术而异。一台DMLS/SLM打印机的平均售价为55万美元,可达200万美元。金属粘合剂喷射系统的成本约为40万美元。一个金属挤压打印机将花费你大约14万美元,包括后处理单元。

一个典型的DMLS/SLM零件的制造成本约为5,000- 10,000美元(包括精加工)。对于粘结剂喷射和金属挤压,每个零件的成本可以比DMLS/SLM零件低5-10倍。在撰写本文时,评估这些系统的全部运营成本还为时过早。

下表是DMLS/SLM不同制造步骤的平均成本细分。请注意,材料成本以及后处理成本在总成本中占了相当大的比例。

生产步骤 手术 成本
制造业 材料成本 每公斤200 - 500美元
DMLS/SLM成本 $ 2,000 - 每次构建4,000美元†
后处理 缓解压力 $500 - $600每建造†
/支持删除一部分 每件100 - 200美元
热处理/ HIP $500 - $ 2000每建造†
数控加工 每件500-2000美元
表面处理 每件200 - 500美元

†通常,六到十二件可以适合同一构建板。

金属3D打印的速度

独立于工艺,金属3D打印零件需要至少48小时平均5天制造和完成。

大约50%的生产时间被分配到印刷上。当然,这取决于零件的体积和对支撑结构的需要。参考一下,目前现代金属3D打印系统的生产速度在10-40 cm³/h之间。

剩余的生产时间与后处理和完成要求有关。热处理对总生产时间的贡献很大:一个典型的热循环持续10到12小时。机械表面抛光也可能是一个耗时的步骤,因为他们需要专家的输入(五轴数控加工)或人工(手工抛光)。

金属3D打印vs传统制造

总是以a开头成本和性能分析,当您在金属3D打印和减法(CNC加工)或成形(金属铸造)技术之间进行选择时。

一般来说,制造成本主要是连接的产量,而一个零件的性能很大程度上取决于它本身几何

金属3D打印的关键优势是它能够创建具有复杂和优化几何形状的部件。这意味着它是制造高性能部件的理想选择。另一方面,它不像数控加工或金属铸造那样规模化。

典型单位成本vs数量的加法,减法和成型技术

作为经验法则:

如果它连接到性能或操作效率显着增加,金属3D打印的高成本仅可以在经济上合理。

当然,每种金属3D打印工艺都能满足不同的工业需求。使用下面的提示作为一般的指导方针来理解哪个过程是最适合你的:

  • DMLS/SLM是高几何复杂性零件(有机,拓扑优化结构)的最佳解决方案,需要优秀的材料性能,以提高最苛刻的应用程序的效率。
  • 粘结剂喷射是低到中等批量生产的最佳解决方案,不能证明巨大的经济投资的成型方法和零件的几何形状不能有效地用减法制造。
  • 金属挤压是金属原型和具有几何形状的一次性零件的最佳解决方案,否则需要五轴数控机床来生产。


下表是a体积vs零件复杂性矩阵,显示每个制造过程(加法、减法或成形)表现最佳的领域。使用它作为一个快速的参考:

数量 低复杂度
< 10部分 数控加工 金属挤压
数控加工
DMLS/SLM
< 100部分 数控加工 粘结剂喷射
数控加工
粘结剂喷射
DMLS/SLM
< 1000部分 数控加工
金属铸造
粘结剂喷射
数控加工
粘结剂喷射
1000 +部分 金属板
金属铸造
金属铸造 -

第二部分

摘要& SLM

直接金属激光烧结(DMLS)和选择性激光熔化(SLM)是当今最常用的金属3D打印工艺。他们特别适合高端应用,因为他们提供了巨大的设计自由和先进的材料性能。


在本节中,我们将深入探讨这两种非常相似的工艺的制造过程、技术特点和优点及局限性。

什么是DMLS/SLM 3D打印?

一个DMLS/SLM金属3D打印机在行动

DMLS(直接金属激光烧结)或SLM(选择性激光熔化)是两个粉末床融合金属3D印刷技术。SLM和DML之间的实际差异非常薄。对于设计目的,这两种技术可以被视为相同的。

他们都使用高功率激光将金属粉末颗粒粘合在一起,一层一层地形成零件。SLM实现了完全熔化,而DMLS由于非常高的温度,使金属颗粒在分子水平上融合在一起。大多数金属合金与DMLS工艺兼容,而只有某些(纯)金属材料可以用于SLM。

DMLS/SLM是如何工作的?

典型的DMLS/SLM 3D打印机原理图

以下是DMLS/SLM 3D打印过程的基本步骤:

  • 建造室首先充满惰性气体,然后加热到最佳打印温度。
  • 在构建平台上覆盖一层薄薄的金属粉末(通常为50 μm)。
  • 激光扫描零件的横截面,选择性地粘合金属颗粒。
  • 当扫描整个区域时,构建平台向下移动一层,该过程重复,直到整个构建完成。
  • 打印完成后,首先需要对构建进行冷却,然后提取松散的粉末。

3D打印只是DMLS/SLM制造过程的开始。打印完成后,在部件准备使用之前,需要几个(必须的或可选的)后处理步骤。强制的后处理步骤包括:

  • 缓解压力:由于印刷时的加工温度很高,内应力就产生了。在任何其他操作之前,这些需要通过热循环来缓解。
  • 零件拆卸在DMLS/SLM中,部件基本上是焊接到构建平台上的。这里使用带锯或电火花线切割。
  • 拆除支架: DMLS/SLM中的支持总是需要的,以减轻打印过程中发生的翘曲和失真。支架是手动或CNC加工的。

为了满足工程规范,通常需要额外的后处理步骤。这些可能包括:

  • 数控加工:当需要比标准±0.1 mm更严格的公差时,将机加工作为精加工步骤。通过这种方式仅移除最小的材料。
  • 热处理:为了改善零件的材料性能,可以使用热处理或热等静压(HIP)。
  • 平滑/抛光:某些应用需要比打印DMLS/SLM的标准RA 10 μm更光滑的表面。数控加工和手工、振动或化学抛光都是可行的解决方案。

3D打印用金属粉末

DMSL/SLM和许多其他3D打印过程中使用的原材料是粉状的。


金属粉末的特性对最终结果非常重要。为了确保良好的流动和密封,金属颗粒需要有一个球形,尺寸在15到45微米之间。为了达到这些严格的要求,可以采用诸如气体或等离子体雾化是常用的。


制造这些金属粉末的高成本是金属3D打印总成本的一个关键因素。

DMLS/SLM的优点和局限性

DMLS/SLM的主要优势在于它能够从高性能金属合金中创造出高度优化的有机结构。

使用DMLS/SLM制造的部件可以具有复杂的有机形状,优化后的形状可以最大限度地减少重量,同时最大限度地提高刚度。或者它们可以有其他方法无法生成的内部几何图形。

DMLS/SLM零件材料性能优良。几乎没有内部孔隙的零件由多种金属合金制成,从铝、钢到高强度高温合金。

我们在上一节中看到,与DMLS/SLM相关的成本很高。因此,只有在经济上可行的情况下,才可以将这种工艺用于高价值工程应用的优化部件。

从技术角度来看,DMLS和SLM的主要限制是它们需要广泛的支持结构。这些都是需要的,以避免扭曲和锚定的部分构建平台。此外,打印机以外,生产的零件的表面粗糙度是相对较高的大多数工程应用,所以后处理是必要的。

优秀的设计自由
精度高,细节细腻
高性能材料
制造和设计成本高
对支撑结构的广泛需求
高表面粗糙度

SLM和DMLS的技术特点

下表总结了今天典型的DMLS / SLM金属3D打印机的基本技术功能。有关其他设计指南,请跳转到设计规则

所有物 DMLS/SLM
材料选择 目前可用的大型材料

铝合金、钛、不锈钢、工具钢、钴铬合金、镍高温合金、贵金属等。
尺寸精度 ±0.1毫米
典型的建设规模 250 x 150 x 150毫米

(最大尺寸为500 x 280 x 360 mm)
常见的层厚度 20 - 50 μm
典型的表面粗糙度 Ra 8 - 10μm
支持 总是要求
内部孔隙度 小于0.2 - 0.5%
每一部分成本 $$$$$

第三部分

金属粘结剂喷射

金属粘结剂喷射正在迅速普及。它独特的特点使它特别适合于中小型生产运行。


在本节中,我们深入研究Binder Jetting中所遵循的步骤和所生产的金属部件的基本特征。

什么是金属粘合剂喷射?

金属粘结剂喷射机正在工作

通过喷墨喷嘴将粘合剂沉积到薄层薄层上,粘合剂喷射夹具。它最初用于创建砂岩中的全彩色原型和型号。由于其批量生产能力,目前该过程的变化目前正在升高。

金属粘合剂喷射打印的打印步骤在室温下进行。这意味着热效应(如翘曲和内应力)不是问题,如DMLS/SLM,并且不需要支撑。创建全金属零件需要额外的后处理步骤。

金属粘结剂喷射是如何工作的?

典型的金属粘合剂喷射机原理图

金属粘结剂喷射是一个两阶段的过程。它包括一个打印步骤和一个必要的后处理步骤。下面是打印过程:

  • 在构建平台上覆盖一层薄薄的金属粉末(通常为50 μm)。
  • 一辆带有喷墨喷嘴的马车经过床层,选择性地沉积粘结剂(聚合物和蜡)液滴,将金属粉末颗粒粘结在一起。
  • 当图层完整时,构建平台向下移动并重复过程重复,直到整个构建完成。

打印过程的结果是所谓的“绿色”状态的一部分。后处理步骤需要除去粘合剂并产生完全金属部件。

该后处理步骤有两种变体:

  • 渗透:“绿色”的一部分首先从结合剂洗掉创建具有显著内部孔隙率(〜70%)是“棕色”的一部分。然后在低熔点金属(通常,青铜)存在下在工业烘箱中加热“棕”部分。内部空隙填充,导致双金属部分。
  • 烧结:“绿色”部分被放置在工业炉中。在那里,粘结剂首先被烧毁,然后剩余的金属颗粒一起烧结。结果是一个全金属部件,尺寸比原来的“绿色”部件小20%左右。为了补偿这种收缩,零件被印得更大。


今天,烧结在大多数应用中被使用,因为渗透造成的零件的材料性能较差,没有良好的机械和热性能记录。

粘结剂喷射&金属注射成型(MIM)

烧结后的粘结剂喷射件与注射成形件具有非常相似的性能。MIM是一种制造工艺,用于大规模生产几乎所有消费电子产品或汽车上的小金属部件。


MIM是塑料注射成型工艺的一种变体。将混合在塑料粘合剂中的金属粉末注射到模具中,形成“绿色”部分,然后烧结成金属。


因此,金属粘合剂喷射建立在MIM工艺的专有技术。

金属粘结剂喷射的优点和局限性

粘合剂喷射是目前唯一一种可以经济高效地用于中小型批量生产金属零件的金属3D打印技术。

由于印刷不需要支撑结构,活页夹喷射系统可以使用其整个构建体积。这使得它能够在成本上与传统制造业竞争,即使是在低到中等批量生产中。

此外,与DMLS/SLM相比,Binder Jetted零件具有更光滑的光洁度和更锋利的边缘,因此可能不需要额外的精加工操作。与DMLS/SLM相比,原金属粉的成本也更低,这对单价起着很大的作用。

另一方面,用Binder Jetting生产的零件总是会有大约0.2到2%的内部孔隙率。注意,内部空隙可能不会影响技术数据表中显示的抗拉强度,但会大大降低零件的疲劳强度。

请记住,烧结步骤与显著的零件收缩有关。这种收缩是不均匀的,很难以高精度进行预测。在实践中,需要几次试印,最终生成一个CAD文件,该文件将生成具有所需最终尺寸的零件。不过,该过程的可重复性非常好。这意味着在成功校准后,可以制造更大体积的该零件。

经济高效的批量生产
不需要支持打印
比DMLS / SLM更平滑的表面
性能比锻造金属低
仅在试验后的精确尺寸
目前有限的材料范围

金属粘结剂喷射的技术特点

下表总结了当今典型的金属粘结剂喷射3D打印机的基本技术能力。有关其他设计指南,请跳转到设计规则

所有物 金属粘结剂喷射
材料选择 目前有限的

不锈钢,工具钢,碳化钨
尺寸精度 ±0.2 mm(试验后±0.1)
典型的建设规模 400 x 250 x 250毫米

(烧结后有效堆积尺寸-20%)
常见的层厚度 35-50μm
典型的表面粗糙度 RA 6μm
支持 不需要印刷
内部孔隙度 0.2 - 2.0%之间
每一部分成本 $$$

第四部分

金属挤压

金属挤出是一种替代的低成本金属3D打印过程,主要适用于原型设计或用于一次性定制部件。


在这里,我们深入研究了这种添加剂过程的特征和关键益处和限制,以帮助您了解如何最有效地使用它。

什么是金属挤压3D打印?

一个金属挤压3D打印机在行动

金属挤压是塑料的经典FDM工艺的一个变化。首款金属挤压3D打印机于2018年发布。该技术也被称为结合金属沉积(BMD)或原子扩散增材制造(ADAM)

像FDM一样,通过喷嘴挤压材料,一层一层地制造零件。与FDM不同的是,这种材料不是塑料,而是一种使用聚合物粘合剂粘合在一起的金属粉末。印刷步骤的结果是一个“绿色”的部分,需要脱脂和烧结成为完全的金属。

金属挤压是如何工作的?

金属挤压3D打印机原理图

金属挤压是一个三个阶段的过程。它包括印刷步骤、脱胶步骤和烧结步骤。下面是打印步骤的工作原理:

  • 原料以丝或棒的形式出现,通常由聚合物和/或蜡结合在一起的金属颗粒组成。
  • 通过加热的喷嘴挤出该杆或灯丝并基于CAD模型沉积逐层构建一部分。
  • 同时,必要时构建支持结构。支撑和部件之间的界面用陶瓷支撑材料印刷,易于手动删除。


当打印完成后,产生的“绿色”部分需要后处理,以成为金属使用类似的步骤在粘合剂喷射。“绿色”首先在溶液中洗涤几个小时,以去除大部分粘结剂。然后在熔炉中烧结,将金属颗粒粘合在一起,形成全金属部件。

金属挤压过程的三个步骤

在烧结过程中,零件尺寸减少了约20%。为了弥补这一点,零件被印得更大。就像在粘合剂喷射,这种收缩是不均匀的。这意味着需要一些试验和错误来为特定的设计产生准确的结果。

金属挤压与塑料的FDM

金属挤压和塑料FDM打印机的工作原理也非常相似。例如,这两种工艺都使用单元格轮廓和填充来打印空心零件。

除了材料之外,金属挤出和FDM之间还有另外两种重要的实际差异,您应该记住。两者都连接到解绑定和烧结过程的机制。

  • 壁厚:在金属挤压中,零件应始终具有一致的壁厚(最好小于10毫米)。如果不是这样,那么完全脱胶和烧结所需的时间可以增加几个小时。
  • 支持结构:就像FDM,在金属挤压支持通常需要在印刷。然而,在金属挤压中,烧结步骤也需要支撑。在这样的高温下,金属材料变得又软又韧,在自身重量下可能会坍塌。

金属挤压的优点和局限性

金属挤出对于功能性原型和金属部件的小产品非常优异,否则将需要5轴CNC加工生产。

金属挤压打印机是迄今为止最经济的金属系统,其成本仅为DMLS/SLM或Binder Jetting的一小部分。通过这种方式,更广泛的用户可以受益于金属3D打印的主要好处(优化结构、组装整合、内部渠道),特别是对于原型目的和小型生产运行。此外,这些系统的易用性和较低的健康和安全要求,使它们吸引了定制部件或工具的内部生产,以支持其他操作。

与其他制造技术相比(如CNC加工和钣金),金属挤压的成本仍然是相当可观的。对于简单的几何形状,选择传统的制造工艺更经济(通常更快),即使外包生产。最终成本的最大贡献者是拆开和烧结打印的“绿色”部件所需的时间。平均需要24到72小时。

从技术角度来看,由于内部孔隙(约2-4%),这些系统生产的零件不适合苛刻的应用,因为它们的机械性能低于变形金属(强度降低约33%)。

低成本金属3D打印
功能金属原型
易于使用的系统
对于简单的零件,成本比CNC高
冗长的后处理
强度比锻造低33%

金属挤压的技术特点

下表总结了当今典型的金属挤压3D打印机的基本技术能力。要了解更多的设计指南,请跳到设计规则

所有物 金属挤压
材料选择 目前非常有限

不锈钢
尺寸精度 ±0.5 mm,下限±0.5 mm(±0.020”)
典型的建设规模 300 x 200 x 200毫米

(烧结后有效堆积尺寸-20%)
常见的层厚度 50 - 200 μmm
支持 用于印刷和烧结
内部孔隙度 2.0 - 4.0%之间
每一部分成本 $$$

第五部分

金属三维打印设计

设计金属3D打印需要一个新的心态,并伴随着一套独特的设计规则和最佳实践。


在本节中,我们将向您介绍一些基本原则和工具,这些原则和工具将帮助您最大限度地利用设计,例如拓扑优化。

关键设计注意事项

为附加工艺设计遵循的规则与为“传统”制造设计的规则不同。独特的设计自由,以及独特的限制,要求设计师改变思维方式。

以下是您在设计金属3D打印时要记住的关键思想列表:

关键设计考虑

现有的设计可能不能直接转让

由于成本高,使用金属3D打印来制造传统工艺设计的零件在经济上几乎是不可行的。

实际上,经常在技术上是不可能再现这些几何形状。例如,厚度小于10毫米的部分容易翘曲或其他制造缺陷,并且应该避免。

几何复杂性就像资产一样

设计复杂性通常被认为是有害的,因为它与增加的成本增加。在金属3D打印中,这不是这种情况。相反,找到一种方法来最大限度地提高几何复杂性为系统带来的额外值是充分利用金属3D打印的益处的关键。

首先定义基本需求

当你开始为金属3D打印重新设计一个部件或组件时,通常从空白画布开始是一个好主意。这样你就可以避免被预先的设计所限制。

明确定义设计要求(载荷、边界条件、部件重量等)是关键。在下一节中,我们将看到现代CAD软件使用这些作为输入来创建具有有机形式的优化结构。

总是使用最小的支撑结构

对零件在机器中的定位有一个清晰的认识是一个很好的实践。打印方向很重要,因为它定义了支撑结构的位置和需要。

设计者的目的应该是创建具有自支持功能的零件,最大限度地减少对支持和确保构建成功的需求。

始终需要后处理

在金属3D打印中,独立于工艺,始终需要进行后处理。这可能是强制性的(如DMLS/SLM中的支架移除或粘结剂喷射和金属挤压中的烧结)或可选的(如CNC加工步骤以实现更严格的公差或热处理以改善材料性能)。

因此,在设计金属3D打印的一部分时,必须在您的脑海中保持后处理要求和可用选择。

设计优化工具和软件

现代CAD包提供工具,可以帮助您充分利用金属三维印刷的几何自由。使用这些算法驱动的设计工具,您可以创建类似的有机结构,该结构优于使用传统方法设计的零件。

现在有三种主要的策略可以使用。这些策略既可以优化现有设计的性能,也可以帮助基于一组设计需求从零开始创建结构。

晶格结构

应用格子模式是优化现有设计的好方法。


晶格结构可以制造轻量化的部件,最大化热交换器的表面积,或者改善打印性,降低现有设计的制造成本。

拓扑优化

仿真驱动拓扑优化有助于构建质量最小、刚度最大的结构。


在拓扑优化中,分析用户定义的设计空间和载荷情况,确定材料可以移除的区域。模拟的结果可以用来为这些加载场景设计最佳性能的部件。

生成设计

生成式设计是仿真驱动拓扑优化过程的一种变体。


在生成设计中,分析产生多个候选设计,而不是单个输出。结果设计都是可制造的,并满足设计要求。通过这种方式,设计师可以探索不同的解决方案,并选择适合应用程序的解决方案(例如,基于次要权衡)。

强烈建议使用这些先进的CAD技术之一,特别是在设计部件DMLS/SLM时。以下我们收集了一些CAD软件包,它们为金属3D打印提供了设计优化工具,让你开始使用:

设计规则

即使使用高级CAD工具,您也必须遵循某些设计指南。这些与金属3D印刷过程的基本机制有关。以下是最重要的设计规则列表:

最小壁厚

DMLS/SLM:0.4毫米

粘合剂喷射:1.0毫米

金属挤压:1.0毫米


在“绿色”状态下的粘结剂和金属挤压件是脆弱的。较厚的壁截面降低了断裂的概率。

最大纵横比

DMLS/SLM:8:1

粘合剂喷射:8:1

金属挤压:8:1


使用支撑肋(类似于注塑),可以为高大的特征增加额外的稳定性。

最小特征尺寸

DMLS/SLM:0.6毫米

粘合剂喷射:2.0毫米

金属挤压:3.0毫米


孤立的特征在印刷或处理过程中比墙壁部分更容易失败。对于引脚,可以考虑使用自插针。

最小的细节大小

DMLS/SLM:0.4毫米

粘合剂喷射:0.1毫米

金属挤压:0.5毫米


最小的细节取决于激光,粘合剂滴或喷嘴的大小。

最小的孔直径

DMLS/SLM:Ø1.5毫米

粘合剂喷射:Ø1.0毫米

金属挤压:Ø1.5毫米


对于不沿建造方向对齐的孔,考虑使用泪滴形状代替,以避免需要支持。

最大威胁角度

DMLS/SLM:50°

粘合剂喷射:N/A

金属挤压:45°


在粘结剂喷射和金属挤压中烧结可能需要额外的支撑。

无支撑边缘

DMLS/SLM:0.5毫米

粘合剂喷射:20毫米

金属挤压:0.5毫米


考虑消除悬垂通过增加一个45°倒角下的无支持的边缘。

点击以下链接,了解更多关于不同金属3D打印工艺的设计:

第六部分

有用的资源

在本指南中,我们涉及了所有你需要开始与金属3D打印,但有更多的学习。


下面我们列出了关于金属3D打印和其他数字制造技术的最好和最有用的资源,供那些想要深入研究的人参考。

如何在线订购金属3D打印零件

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