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)國際標準組織(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打印服務都使用EOS機器，因此您通常會將其DMLS作為服務產(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)，通常用于原型設計和生產(chǎn)航空航天、汽車、醫(yī)療和工業(yè)應用的最終用途復雜金屬部件。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，其余材料可重復用于制造其他零件。

讓我們仔細看看這項技術(shù)、誰在使用它，以及它為何對當今制造業(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計(CAD)軟件制作的，也可以從數(shù)字零件庫中獲取。然后，設計文件通過特殊的構(gòu)建準備軟件進行處理，該軟件將其分解為要進行3D打印的切片或?qū)印Ｔ撥浖ǔＪ?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)的金屬部件一樣進行進一步加工，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雜的內(nèi)部設計，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：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，但它有所貢獻。

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

層高和分辨率：最終部件能有多精細？

燃氣和電力消耗：有些機器比其他機器消耗更多。

材料消耗：具有良好粉末進料和篩分技術(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行3D打印，非常適合惡劣條件。

盡管金屬材料供應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