什么是直接金屬激光燒結(jié)？

圖1：3D金屬燒結(jié)是一種高精度3D打印方法，可用于打印常見的復(fù)雜金屬部件，例如3D Systems打印機生產(chǎn)的這些部件（來源：3D Systems）

使用高功率激光熔化金屬粉末的增材制造工藝有多種名稱。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)的說法，它的正式名稱是金屬激光粉末床熔合(LPBF)。然而，專門從事這項技術(shù)的3D打印機制造商為同一工藝想出了獨特的品牌名稱。

最大的金屬3D打印機制造商之一EOS將該技術(shù)稱為“直接金屬激光燒結(jié)(DMLS)”，由于許多3D打印服務(wù)都使用EOS機器，因此您通常會將其DMLS作為服務(wù)產(chǎn)品而不是正式名稱，盡管這是完全相同的技術(shù)。LPBF 3D打印機之間存在細(xì)微差異，但總體方法是相同的。

這種金屬3D打印方法是一種高精度技術(shù)，通常用于原型設(shè)計和生產(chǎn)航空航天、汽車、醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用的最終用途復(fù)雜金屬部件。它可以制造從工具和備件到火箭發(fā)動機和醫(yī)療植入物等各種產(chǎn)品。

圖2：使用Prima Additive的金屬燒結(jié)系統(tǒng)對銅進(jìn)行激光燒結(jié)（來源：Prima Additive）

DMLS的快速發(fā)展和普及背后有很多原因。首先，借助內(nèi)部金屬3D打印機，公司可以自行生產(chǎn)金屬零件，例如注塑模具、替換零件和工具，這比從海外制造和運輸要快得多，也便宜得多，尤其是在小批量的情況下。即使從金屬燒結(jié)服務(wù)訂購零件也比傳統(tǒng)制造更快。

其次，金屬燒結(jié)可以生產(chǎn)出具有復(fù)雜內(nèi)部通道、晶格填充壁和形狀的零件，而這些形狀是其他制造方法無法實現(xiàn)的（或成本高昂），從而可以生產(chǎn)出更好、更輕、更高效的零件。

與傳統(tǒng)制造相比，金屬燒結(jié)的另一個好處是可持續(xù)性。尤其是在使用鈦或銀等高成本材料進(jìn)行打印時。金屬燒結(jié)3D打印機僅使用制造零件所需的材料，其余材料可重復(fù)用于制造其他零件。

讓我們仔細(xì)看看這項技術(shù)、誰在使用它，以及它為何對當(dāng)今制造業(yè)產(chǎn)生如此巨大的影響。

金屬燒結(jié)的工作原理

圖3：密歇根理工大學(xué)3D Systems DMP Flex 350金屬LPBF 3D打印機內(nèi)部展示即將從支撐金屬粉末中取出的最終金屬部件（來源：Mighican Tech）

與所有3D打印技術(shù)一樣，金屬燒結(jié)是一個數(shù)字化過程，從零件的電子文件開始。這些文件是使用計算機輔助設(shè)計(CAD)軟件制作的，也可以從數(shù)字零件庫中獲取。然后，設(shè)計文件通過特殊的構(gòu)建準(zhǔn)備軟件進(jìn)行處理，該軟件將其分解為要進(jìn)行3D打印的切片或?qū)?。該軟件通常?D打印類型甚至3D打印機品牌所獨有的，它會生成3D打印機要遵循的路徑和其他指令。

一旦零件文件被輸入到3D打印機，它就開始準(zhǔn)備構(gòu)建。

金屬燒結(jié)涉及一層金屬粉末和高功率激光，用于在分子水平上逐層選擇性地將金屬粉末融合在一起，直到最終部件完成。

圖4：3D金屬燒結(jié)工藝始于數(shù)字文件，然后由于它是一個逐層工藝，因此可以創(chuàng)建其他金屬制造工藝無法實現(xiàn)的形狀和整體組件（來源：EOS）

首先，將所需的金屬粉末裝入打印機料斗中，然后加熱器將粉末加熱到接近材料燒結(jié)范圍的溫度。打印機將粉末推入打印床，然后由刮刀（如擋風(fēng)玻璃雨刷）或滾筒將粉末鋪展成薄層，覆蓋在打印板上。

激光將第一層粉末的形狀描繪到粉末上，從而使其凝固。然后，構(gòu)建平臺向下移動一小段距離，另一層粉末通過激光鋪開并融合到第一層粉末上，直到整個物體構(gòu)建完成。在打印過程中，構(gòu)建室是封閉的、密封的，在許多情況下，構(gòu)建室中充滿惰性氣體，例如氮氣或氬氣混合物，這有助于防止熔化過程中的碎屑影響部件。

打印床上的粉末在打印過程中支撐部件，但打印的支撐物也會被使用。未使用的金屬粉末可以在打印過程結(jié)束時收集起來，與新鮮粉末混合，并在下一次打印中重復(fù)使用。

打印完成后，讓部件冷卻，并從打印機中清除周圍松散的金屬粉末。打印完成后，將部件從粉末床上取出并清洗干凈。金屬燒結(jié)部件可以像傳統(tǒng)金屬加工生產(chǎn)的金屬部件一樣進(jìn)行進(jìn)一步加工，包括機械加工、熱處理或表面精加工。

為了避免混淆，DMLS就是LPBF，但同一項技術(shù)也有其他名稱。您可能聽說過一家名為Nikon SLM Solutions的公司推出的選擇性激光熔化(SLM)；還有直接金屬激光熔化(DMLM)。

DMLS的突破性應(yīng)用

圖5：Sierra Turbines的3D打印微型渦輪燃燒器的橫截面展示了其復(fù)雜的內(nèi)部設(shè)計，取代了傳統(tǒng)制造所需的61個分立部件（來源：Velo3D）

受益于3D金屬燒結(jié)的領(lǐng)域包括醫(yī)療、牙科和航空航天工業(yè)。這些行業(yè)的零件經(jīng)常需要使用高性能或特殊材料。金屬燒結(jié)可以制造出傳統(tǒng)金屬加工技術(shù)無法制造的零件。

醫(yī)學(xué)：定制假肢可以用鈦合金等材料建模和打印，以替代因事故或疾病而失去的部分骨骼。它們具有高強度，可抵抗身體的攻擊，并且多孔性有助于骨骼長入假肢結(jié)構(gòu)。最重要的是，每個假肢都可以輕松制作成針對每個患者的獨特假肢。

圖6：金屬激光燒結(jié)在牙科市場中越來越多地用于制造針對特定患者的植入物和假牙（來源：Prima Additive）

牙科：可以輕松為患者制作假牙、牙橋、牙冠和局部假牙，然后使用鈷鉻等高強度材料打印。通過金屬燒結(jié)打印工藝，可以快速獲得定制貼合度、強度和長期耐用性。

航空航天：金屬燒結(jié)是減少零件數(shù)量、制造復(fù)雜幾何形狀和減輕重量同時保持或提高零件強度和耐用性的關(guān)鍵部分。DMLS零件用于商用飛機和火箭，從簡單的支架到復(fù)雜的渦輪機零件和探頭。甚至可以生產(chǎn)完整的火箭排氣裝置。

金屬燒結(jié)的優(yōu)缺點

圖7：Heraeus使用特種金屬在EOS 3D打印機上進(jìn)行3D金屬燒結(jié)（來源：Heraeus）

與所有制造技術(shù)一樣，金屬燒結(jié)也有其優(yōu)點和缺點。

優(yōu)勢：

廣泛的可用金屬

能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的形狀或內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可能無需支撐

由于無需工具，因此縮短了總交付周期

與鑄造或模塑相比，單件或小批量零件的價格要低得多

實現(xiàn)部件合并，以便將之前的多組件部件打印成一個打印件

通過增材制造和粉末回收減少浪費

由于快速按需生產(chǎn)，能夠減少庫存

零件大規(guī)模定制的潛力

缺點：

入門成本高——所有LPBF 3D打印機的價格都高達(dá)數(shù)萬美元

與機械加工等傳統(tǒng)制造方法相比，每個零件的成本可能更高

目前尺寸限制為1.5平方米

通常需要使用特種金屬粉末才能獲得最佳效果

激光需要大量能量

不是即插即用的技術(shù)，需要培訓(xùn)和熟練的技術(shù)人員

并非所有的金屬燒結(jié)3D打印機都是一樣的

圖8：

金屬燒結(jié)3D打印機是一種工業(yè)解決方案，起價約為10萬美元，最高可達(dá)數(shù)百萬美元。如果您能夠快速交付關(guān)鍵備件、制造出比競爭對手更出色的產(chǎn)品并快速將其推向市場，或者將您的制造業(yè)務(wù)從海外轉(zhuǎn)移，那么這項技術(shù)就物有所值。如果您能夠消除庫存并按需打印零件，那么這項技術(shù)也具有經(jīng)濟意義。

金屬3D打印機的主要區(qū)別因素包括激光器的類型、強度和數(shù)量。例如，小型緊湊型打印機可能配備一臺30瓦激光器，而工業(yè)版打印機可能配備12臺1,000瓦激光器。

選擇金屬燒結(jié)3D打印機時，請考慮：

可擴展性：如果入門級機器不再適合您，是否可以升級到其他級別？

建造速度：機器每小時可以生產(chǎn)多少立方厘米？

激光掃描速度：這不是零件構(gòu)建速度的唯一指標(biāo)，但它有所貢獻(xiàn)。

激光光斑尺寸：您可以調(diào)整激光以獲得更多或更少的細(xì)節(jié)部分嗎？

層高和分辨率：最終部件能有多精細(xì)？

燃?xì)夂碗娏ο模?/span>有些機器比其他機器消耗更多。

材料消耗：具有良好粉末進(jìn)料和篩分技術(shù)的機器可以減少粉末浪費。

開放或?qū)Ｓ胁牧希?/span>如果您必須使用打印機制造商的材料，則可能會影響您的制造靈活性和成本。

金屬燒結(jié)用金屬

圖9：金屬粉末是3D打印中最常用的金屬介質(zhì)（來源：GKN Additive）

幾乎任何金屬都可以燒結(jié)。金屬激光粉末床熔合的多功能性使其得到更廣泛的采用。例如，航空航天公司正在使用獨特的金屬合金進(jìn)行3D打印，非常適合惡劣條件。

盡管金屬材料供應(yīng)商可以配制幾乎任何3D打印合金，但大多數(shù)激光燒結(jié)都是在鋼或鋁合金中完成的。

此3D打印工藝的材料是細(xì)粉狀金屬。用于金屬燒結(jié)的金屬粉末與用于注塑成型的金屬粉末不同。用于3D打印的粉末以各種方式加工，并且在其確切的化學(xué)組成、顆粒的圓度、密度等方面各不相同。

我們在本指南中深入介紹金屬粉末：金屬3D打印用金屬粉末-購買指南

通常，金屬顆粒的制造尺寸為20至40微米。顆粒尺寸和形狀限制了最終部件的細(xì)節(jié)分辨率。金屬顆粒尺寸越小，變化越少，分辨率越高。工藝中使用的原料粉末的特性會顯著影響成品部件的材料特性。因此，根據(jù)應(yīng)用，有多種材料選擇。

有幾十種金屬（包括以下這些）適合金屬燒結(jié)，但并非每臺金屬燒結(jié)3D打印機都能處理相同的材料。有些需要更強大的激光或特殊處理。

3D金屬燒結(jié)材料

鋁

鋁硅10Mg，鋁硅7Mg0.6

鋁F357

斯卡爾馬洛伊

不銹鋼

316L

15-5PH

17-4ph

1.2709

H13

因瓦合金36

1.4828

鎳

華欣

英科乃爾625、718、939

Amperprint 0233 Haynes 282

鈦合金

Ti6Al4V ELI（23級）

TA15

Ti（2級）

編譯整理：ALL3DP