大多数人将添加剂制造与塑料联系起来。然而，现在可以使用一系列新材料和过程，使工程师能够打印各种金属部件。

该技术捕获了众多行业的制造商的关注。作为质量和加工速度的改善，金属3D打印将成为越来越多的应用程序的可行替代方案，包括生产就绪零件。

增材制造通过将一层材料叠加在另一层材料上，而不是先将一块金属切割或磨掉，从数字文件中“打印”固体物体。它使公司更容易制造复杂的形状和结构，传统上很难用传统的减法制造方法。这也减少了浪费，从而导致更长的设置时间和更高的材料成本。

超过三分之一（44％）的工程师响应集会2017专业状况调查称，他们积极参与了增材制造项目，这标志着需求连续第三年增长。航空航天、汽车和医疗设备行业对该技术的兴趣最为浓厚。

据专门从事增材制造的市场研究公司SmarTech Publishing称，到2026年，金属粉末材料和打印系统的需求将从目前的9.5亿美元增长到70亿美元。

“金属添加剂制造市场仍然是更广泛的3D印刷行业的最强增长领域之一，”Smartech出版社研究副总裁Scott Dunham说。“而且，2017年是其进化中的关键年。预计许多发展将确定各种技术是否将以预期的潜力提供。

杜汉姆称:“世界各地对金属增材制造的兴趣达到了历史最高水平。”“但是，目前的技术仍在不断发展，并在追赶那些刚刚(开始探索)可能性的用户的期望。

Dunham解释说:“除了印刷，还需要很多领域来创建可行的制造解决方案。”“这些领域正在同时向多个方向发展，同时新的金属印刷工艺正接近商业化，与现有工艺竞争。

Dunham指出:“对于很多对增材制造感兴趣，但不一定想要走在创新前沿的公司来说，这创造了一种观望的局面。”“市场上的竞争格局正以创纪录的速度发生变化。”

在短时间内，添加剂制造已经实现了具有聚合物方法的广泛成功。但是，由于材料和过程开发缺乏，使用金属合金的使用落后。

“There’s a lot of intense interest focused on additive manufacturing with metal alloys, because there are so many potential applications,” says Iver Anderson, project leader and senior metallurgist at Ames Laboratory, which is in the midst of an R&D project to improve the production and composition of metal alloy powders.

安德森警告说:“控制[金属合金]粉末的性能和质量的能力对最终产品的质量至关重要，要达到与铸造、锻造或加工零件相同的性能。”“今天，如果制造商带着制造过程所需的合金和粉末规格的购物清单去找金属粉末生产商，他们很可能找不到他们想要的东西。

安德森指出:“定制功能还不存在，我们需要实现这一点。”“这将是具有商业竞争力的金属增材制造工艺的关键。”

金属与塑料

用金属印刷不同于塑料印花。例如，处理参数，例如时间和温度是不同的。

由于塑料的熔点比大多数金属低，对温度和功率的要求也较低。随着时间的推移，这会降低运营成本。

“Tratratasys Direct Management的DMLS产品经理Eric Mutchler说：”印刷塑料与金属部件之间存在一些关键差异。““即建立时间，成本和整理程序。

“许多LS尼龙粉末塑料机有一个75瓦的CO₂激光,”Mutchler解释道。“金属机器有400到1000瓦的光纤激光器。尼龙12的熔体温度约为370华氏度，而钛的熔体温度约为3000华氏度。

马彻勒指出:“一般来说，金属零件的制造需要更长的时间，它们通常需要更密集、更昂贵的后处理劳动力。”“这导致成本上升。”

提供3D打印产品和服务的Sigma Labs Inc.首席执行官Mark Cola补充道:“最大的区别是过程控制和零件质量控制的精确度和准确性，必须严格遵守设计要求。”

“一般来说，金属需要工艺冶金的复杂程度，以实现预期的最终用途所需的部件性能和性能，”可乐解释说。“塑料也需要这样做——只是不需要同样严格的审查。”

据弗兰克麦地那根据EWI添加剂制造的技术领导者，印刷金属和塑料部件之间存在三个关键差异：

• 材料属性。金属性能远高于塑料性能，必须满足铸造和锻造标准。
• 速度。塑料机通常比金属系统更快。塑料需要较少的能量，可以在较厚的层中完成。
• 成本。机器成本和每个构建时的成本对于金属更昂贵，因为系统和材料更昂贵。

“打印塑料零件更容易，因为机器更成熟，”梅迪纳说。一些塑料机器可以被认为是办公室打印机。你只需按下打印按钮就可以走开，而金属系统则不那么可靠或与操作人员无关。此外，由于塑料部件的用途有限制，因此行业限制较少，如认证和质量期望。

“[金属添加剂制造]最大的误解之一是零件从即可使用的机器中出来，”Notes Medina。“在准备好使用之前需要完成大量的后处理工作，例如压力缓解，从起始板切割，从而消除支撑，热处理和加工。

“而且，这不仅仅是按一个按钮，”莫迪纳指出。“这项技术需要一个受过更多教育的操作员。用正确的支撑材料将零件建立在正确的构造方向上，需要对内应力和材料科学有更基本的了解。”

Star Rapid公司创始人兼总裁Gordon Styles补充道:“与塑料打印相比，金属打印的制造时间相对较慢，而且在设计金属(应用)方面也存在学习曲线。”Star Rapid是一家低批量金属3D打印公司，专门从事直接金属激光熔化(DMLM)。“金属3D打印不是一个简单的过程。

斯泰尔斯警告说:“由于金属印刷过程的性质，可能需要多次构建来完善一个部件，并优化它以进行大规模生产。”“大多数金属部件的工程性能将比塑料部件高得多。”

塑料灯丝通常比金属粉末更便宜。处理参数通常也完全取决于所使用的技术或机器。结果，难以在两种材料之间进行一对一的比较。

专门从事电子束增材制造(EBAM)的Sciaky Inc.全球销售经理约翰·奥哈拉(John O 'Hara)说:“任何金属增材制造工艺都需要熔化和冷却金属。”“它们基本上都是焊接过程，所以设备的成本和复杂性可能存在巨大差异。

“出于同样的原因，打印金属要困难得多，”奥哈拉解释道。“金属必须在进料、熔化和固化的同时保持所需的形状，并保持材料的特性。金属部件的设计通常是为了利用金属的特性。”

设计要求

金属印刷零件的设计与塑料印刷零件的设计有很大的不同。例如，金属印刷要求工程师专注于独特的要求，如壁厚、支架生成和零件定位。

“(工程师)必须遵守一些关键规则，以帮助降低与金属3D打印移除支架相关的成本，”Star Rapid的Styles表示。“悬垂部分必须小于0.5毫米;所有朝下的结构必须设计成至少与水平成45度角;水平孔不得小于0.5毫米;大于10mm的孔需要支撑。

斯泰尔斯警告说:“为了减轻重量，(工程师们应该)考虑制作中空或高度优化的有机设计。”Altair的OptiStruct、AutoDesk的Within或Dreamcatcher等程序可以帮助解决这个问题。您可以创建高度进化的结构，以显著优化权重与性能的比率。

斯泰尔斯说:“人们通常认为，如果一个零件不能使用任何其他制造工艺制造，那么金属3D打印就是一个‘拯救’过程。”“这种想法是有缺陷的。但是，我们继续看到越来越多的客户希望使用这个过程来创建本质上是糟糕的构建。随着越来越多的工程师学习为金属印刷设计，这一过程将变得更加主流。”

印刷金属和塑料部件之间的另一个巨大差异是所需的后处理类型。

“埃斯北美申请总监Greg Hayes，Ph.D，博士道，博格希耶斯，博士表示，博格希耶斯博士表示，博士北美的兼咨询公司表示，已开发出一种称为直接金属激光烧结（DML）的金属印刷过程。“聚合物部件不需要支撑结构，并且后处理较少。

Hayes指出:“使用DMLS‘生长’的金属部件需要经过热处理的支撑结构，这些支撑结构在(生产)过程结束时被移除。“聚合物部件不需要这些结构，可以在打印后染色、表面处理或涂层。这两类材料的力学性能、几何公差和设计指南都适用于所有三个维度。”

Stratasys Direct Manufacturing的Mutchler警告说:“在金属制造过程中产生的固有应力是非常重要的。”“所以，在建筑布局阶段设置一个部件需要深思熟虑的规划和经验。[您]还必须认识到所需的支撑结构的锚定位置，以便完成团队可以将其移除。

Mutchler补充说:“如果需要后处理，那么这个项目将比塑料零件更需要劳动力，成本也更高。”“通常，打印金属零件只是交付最终零件所需的一系列其他程序和后处理的第一步。

“与其他添加剂工艺相比，金属添加剂制造技术仍然相对较新，”Mutchler说。“广泛接受的标准和设计(参数)尚未确定，这似乎阻碍了更快地采用这项技术。一旦标准就位，更多工程师了解如何设计工艺，我们将看到金属增材制造的使用急剧增加。”

打印过程

工程师可以在几种金属添加剂制造工艺之间进行选择。每个都可以与不同类型的原材料一起使用，打印由钴铬、马氏体时效钢、316L不锈钢或钛等金属制成的零部件。然而，他们在打印质量和他们可以制造的零件的大小方面是有限的。

有粉末床系统，如直接金属激光烧结和选择性激光熔化。并且，存在粉末馈电系统，例如定向能量沉积和激光金属沉积。

直接金属激光熔化（DMLM）使用高功率激光熔化和熔化成连续层的粉末金属层成三维固体零件。一个优点是，更复杂或丰富的组件，该过程更经济地变为。

电子束增材制造受到空中客车(Airbus)、通用电气(General Electric)和洛克希德马丁(Lockheed Martin)等航空制造商的青睐。是生产因科乃尔、钽、钛等高价值金属的大型近净形零件的理想选择。这一过程可以取代一个长时间交付的组件，或者将以前的许多组件统一成一个预制件。

电子束熔化（EBM）是Arcam开发的专有过程，最近成为GE的划分。

EBAM是Sciaky开发的一种专利工艺，可以在几天内生产出高质量、大规模的金属结构，长度可达19英尺，由钽、钛和镍基合金制成。

通过选择性激光熔化（SLM），逐步扫描逐步激光辐射，粉末床横跨该特定层内的组分的形式。无论激光辐射都会撞击粉末，金属粉末最初熔化，然后凝固以形成固体质量，因为该组分由层构成层。

SLM基本上是与直接金属激光烧结（DML）相同的过程。前者是通用术语，而后者是EOS商标名称。金属印刷工艺与航空航天和汽车制造商很受欢迎，因为它们可以制造高度复杂的轻质金属生产零件，具有无法铸造或以其他方式加工的特点和通道。

根据Star Rapid的风格，3D金属打印技术的三个主要类别中的每一个都在市场中占据了一个特定的利基市场。

直接金属沉积(DMD)通过喷嘴将粉末金属喷雾聚焦，然后在沉积点熔合。斯泰尔斯说:“这种技术被广泛应用于对之前建造的部件进行现场修复，以及快速打印大型、低保真度的建筑。”

粉末床技术，如DMLM，保险丝或熔体粉末在构建平台上。“它需要更加仔细的设计和工程，速度慢，”款式。“然而，构建的零件更加坚固，适用于苛刻的应用，例如航空航天和汽车领域的应用。”

粘合剂喷射喷涂液体结合树脂 - 几乎就像胶水或环氧直接粘在粉末材料上，这可以是金属，砂甚至陶瓷。“这个过程快速且相对便宜，”索赔风格。“你可以用它构建大型结构;然而，它们通常具有低密度和低强度。这意味着它们不适合工程应用。“

SmarTech的Dunham表示:“尽管DMLS、EBM和SLM之间存在一些显著的技术差异，但我们将所有这些技术都归为astm定义的‘金属粉末床融合’技术。“金属粉末床熔炼是金属增材制造的最大部分，每年至少占总销量的85%。

Dunham称:“市场的其余部分是定向能量沉积系统，这是一个快速发展的领域，金属粘结剂喷射是一个相当小众的领域，但由于一些创新技术的进步，这一领域可能会迅速发展。”

Dunham补充说:“金属粉末床熔合工艺很受欢迎，因为它可能是真正的添加剂制造的最纯粹的形式。”“它可以提供非常小的特征细节与非常复杂的几何形状的最佳组合，并在一个相对广泛的合金，所有的建造过程中，在一个单一阶段创造接近100%的密度零件。”

Dunham认为，未来几年最大的变化将主要是引入新的工艺，与金属粉末床熔炼竞争。他指出:“像Desktop Metal、MarkForged和XJet开发的这些工艺甚至可能不会与金属粉末床熔炼(直接)竞争。”“但是，对于那些认为自己由于成本或专业要求而被排除在金属增材制造解决方案之外的公司来说，它们将成为更有吸引力的选择。”

新的工具和技术

世界各地的工程师正在开发许多额外的印刷金属方式的过程中。一些近期突破包括原子扩散添加剂制造，结合金属沉积，基于二极管的添加剂制造和直接金属写入。

原子扩散增材制造(ADAM)将熔丝制造与金属注射成型材料相结合。它是由一家名为Markforged Inc.的初创公司开发的，福特汽车公司(Ford Motor Co.)和哈雷戴维森汽车公司(Harley-Davidson Motor Co.)都是这家公司的客户。

“亚当是一种以金属粉末开头的端到端过程，将其捕获在塑料粘合剂中，使其安全地处理，然后一次将其形成为一层，”乔恩里利，副手说商标总统标准。

赖利指出:“打印后，在熔炉中烧结，烧掉粘合剂，将粉末固化成最终的完全致密的金属部件。”“零件在烧结过程中会收缩20%左右，所以我们的软件会在打印前自动将其放大。”

该公司的新金属X机器是第一个使用ADAM技术的金属打印机。根据赖利的说法，“它开启了一种打印金属部件的全新方式。它的支撑材料也非常灵活。任何可以制成粉末的金属都可以打印出来。我们正在准备17-4和316L不锈钢。然而，我们有铝，铬镍铁合金，钛和工具钢在beta测试中。

“材料成本在过去几年里并没有大幅下降，”赖利解释说。“这是因为任何技术曲线的主要成本驱动因素都是量。随着像ADAM这样的新印刷技术使金属印刷更容易获得，使用量将增加，导致材料价格下降。

“机器成本是采用的一大障碍，材料处理的安全性也是，”Reilly说。传统的金属打印机售价超过50万美元，你需要一件宇航服才能与粉末金属进行交互。通过引入一种打印金属的新方法，将打印机的成本降低到10万美元以下，并将金属粉末固定在塑料中，使其安全处理，我们正在消除这些障碍。

“下一步，我们将通过大量的低成本金属(打印机)并行工作来提高打印速度，”Reilly补充说。“我们称之为‘印刷农场’。’他们将改变金属部件的制造方式。”

另一个金属3D打印市场的新玩家是Desktop metal公司。该公司声称，它的工作室系统，包括一台打印机和一个微波增强烧结炉，类似于最安全和最广泛使用的3D打印过程-熔融沉积建模(FDM)。该公司还声称，这台机器将能够使用多种金属打印零件，甚至一次可以打印不止一种金属。

该系统使用金属杆使用金属棒而不是使用激光来熔化粉末金属来熔化粉末金属。使用微波和炉子的组合将金属融合在一起。台式金属呼叫它“第一款办公室友好的金属3D打印系统”。

Desktop metal的首席执行官兼联合创始人里克·富洛普表示:“这是唯一一种对工程团队来说性价比高的金属3D打印系统。”“这是第一次有可能在不离开办公室的情况下，用金属3D打印生产高度复杂的金属部件和组件。

Fulop说:“与传统的金属3D打印工艺不同，DM Studio系统不需要危险粉末，不需要激光，也不需要切割工具。相反，它使用结合金属沉积，这是一种专利工艺，可以制造精确和可重复的部件，类似于FDM。”

今年早些时候，劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的工程师们公布了两种新型的金属增材制造技术，这也带来了希望。

一种方法，称为二极管的添加剂制造（直径），使用激光二极管的高功率阵列，Q开关激光器和专用的激光调制器一次一次闪光打印整个金属粉末，而不是光栅扫描每层的激光器，与传统的基于激光的粉末床融合添加剂制造系统相同。

通过这一过程，大型金属物体可以打印，所需时间只是当今市场上金属3D打印机所需时间的一小部分。

“通过直径的速度和设计的速度和程度的组合可能远远超出当前粉状融合系的系统，”Llnl Matthews，这是一个研究的研究。“通过削减打印时间并具有高档的能力，这一过程可以彻底改变金属添加剂制造。”

LLNL的工程师最近还开发了一种用于印刷通过喷嘴挤出半固体金属的金属部件的方法。金属被设计为剪切稀释材料，这意味着当静止时，它在静止时起到固体，而是在施加力时像液体一样流动。

直接金属写入技术而不是从金属粉末开始，使用加热的铸锭，直至其达到半固态状态。固体金属颗粒被液态金属包围，导致糊状的行为。然后它被迫穿过喷嘴。