金屬增材製造及其優點，以及金屬3D列印應用。

2021-09-15

什麼是金屬增材製造(或)？

最初被視為概念建模和快速原型製作的過程，金屬添加製造(或金屬3D列印)在過去五年左右的時間裏經歷了一段顯著擴張的時期。

從原型製作和加工到醫療、牙科、航空航太、汽車、建築、傢俱和珠寶等工業領域的最終零件製造，它現在已經應用於我們生活的許多領域，越來越多的創新應用正在開發中。

金屬增材製造被認為是顛覆性技術之一，因為它徹底改變了我們的設計和製造方式。從小批量生產的消費品到大規模生產——從藝術家和設計師到個人、中小企業和大公司，每個人都在使用金屬增材製造來生產各種產品——金屬增材製造將繼續存在。

金屬增材製造是用來做什麼的？

金屬添加製造被廣泛應用。例如，在產品開發階段的模型和原型生產中，或者在醫療、消費品、消費電子、汽車和航空工業中用於試驗系列生產以及大規模生產的最終零件中。

不僅如此，對於鑄造或注射成型來說，批量生產的工具成本可能太高。零件的幾何形狀也可能過於複雜，使它們無法用傳統工藝製造，如模制、銑削、磨削、鑄造、數控加工等。

金屬3D列印的誕生

當立體平版印刷術(SLA)-當時是一種新的塑膠製造工藝-在20世紀80年代商業化時，它成為了添加製造中的第一個專利。有了SLA，製造商能夠更快地生產3D模型和零件。怎麼會？用鐳射固化對紫外線敏感的液態聚合物——這是增材製造過程中的新技術前沿，為製造商、工程師和設計師創造了前所未有的新機會，讓他們能夠更高效地製造原型、最終零件和產品。

新的基於聚合物的3D列印技術在20世紀90年代初開始商業化，此後不久，金屬添加製造獲得了專利，並像其他添加製造工藝一樣免費提供。和其他技術一樣，這是一種能夠更快、更有效地製造金屬原型、產品和工具的技術。

鐳射粉末床熔融(LPBF)是第一個為早期金屬3D印表機提供動力的工藝，通過燒結特定的金屬粉末來生產金屬零件。然而，這些金屬粉末材料的機械性能和特性通常更類似於複合材料，而不是金屬合金，這是因為低熔點金屬材料與高電阻金屬如不銹鋼相結合。

引入更多金屬3D列印工藝

在引入鐳射粉末床熔融(最初是直接金屬鐳射燒結(DMLS)技術)後不久，幾家公司開始推出新的工藝和系統——例如選擇性鐳射熔化(SLM)、鐳射工程淨成形(LENS)和受控金屬堆積(CMB)技術——以分一杯羹。

在21世紀初，一種被稱為直接金屬沉積(DMD)的新工藝被引入，最初也被稱為直接能量沉積(DED)或鐳射熔覆。直接金屬沉積最初用於添加一定量的金屬來修復損壞的零件。然而，隨著3D列印擴展到最終使用的3D列印部件的生產，DMD(現在經常與鐳射金屬沉積或LMD互換使用)也可以創建整個部件或物體。

金屬3D列印:突飛猛進

然而，快進到2018年，我們已經取得了長足的進步。這見證了惠普的金屬噴射技術，這是一種突破性的新流程，利用並擴展了惠普與惠普多噴射融合(MJF)合作開發的工作流程和技術，通過新的功能代理、流程和列印硬體將塑膠3D列印到金屬添加製造中。

20世紀後期，製造業經歷了一場徹底的變革。這要歸功於商用增材製造的引入——這一過程繼續席捲整個行業。金屬添加製造及其各種用途正在引領生產製造。

在採用開放式材料平臺和更快印刷速度的金屬添加製造機器的推動下，金屬添加製造市場繼續顯示出巨大的增長潛力。

隨著更高效、更創新的金屬增材製造技術和工藝的進步和出現，瞭解應用的全部潛力和多樣性以及如何應用這些新優勢來解決業務挑戰、創造新的業務模式和永遠改變製造業面貌非常重要。

金屬增材製造(MAM)——有什麼優勢？

金屬增材製造(MAM)提供的好處不僅僅是增強零件的外部幾何形狀及其強度和功能。它還具有獨特的能力，允許設計師和製造商將新功能直接集成到零件中，這尤其為技術零件開闢了新的性能能力，例如在模具生產中:集成保形溫度控制，或直接在模具表面下運行的真空通道。3D列印金屬部件通常具有令人印象深刻的物理屬性，可用的材料範圍包括難以加工的金屬，如超級合金。

金屬增材製造如何縮短交付週期？

當然，金屬3D列印的其他優勢包括產品生命週期的加速，以及從設計階段到最終零件生產的更快過渡。怎麼會？通常，除了需要移除可能在3D列印過程中使用的支撐結構之外，不需要在3D列印後處理零件的額外步驟。事實上，對於一些金屬添加製造工藝，如惠普金屬噴射技術，3D列印過程中不需要支撐結構，進一步簡化了流程。

任何特定的形狀或幾何要求(例如，孔、螺紋、紋理或連接元素)都可以“設計到”零件中，並直接進行3D列印，因此在生產後不需要使用CNC機器進行銑削或特定的形狀調整。取消這些步驟後，生產最終零件的總交付時間可以縮短數周。

此外，對於注射成型，生產工具或模具以生產最終部件的步驟可能需要幾周甚至幾個月的時間，並且可能是昂貴的。然而，通過金屬3D列印，這一步驟可以完全消除，從時間和成本角度來看，效率都達到了新的水準。

自由設計，打造輕巧而堅固的3D列印金屬零件

通過添加而非減少的製造工藝，材料浪費也得以減少，因為實際上僅使用了逐層形成零件所需的材料。金屬3D列印提供了傳統製造工藝無法經濟高效地實現的設計自由度。這種設計自由度允許更複雜的幾何形狀具有更有效的、拓撲優化的零件設計，這些零件設計是輕質的，或者在使用更少材料的同時將複雜的組件合併成一個單一零件。通過在高應力區域添加材料並從低應力區域移除材料來優化承載，可以使用拓撲優化軟體創建輕而堅固的零件和產品。這些優勢有助於製造工藝為航空航太或汽車應用以及多個行業提供許多新的選擇和效率。

金屬添加製造工藝——如何使用？

鑒於製造業尚未達到大規模生產數百萬個相同的簡單零件所需的生產力水準，製造業尚未準備好用金屬添加製造完全取代注射成型等傳統製造方法。然而，隨著系統和技術的進步，例如惠普金屬噴射技術公司金屬3D列印的發展——在不久的將來，我們將開始更多地看到使用金屬添加製造來生產更大數量的產品。說到高效的大規模定制——或多個單獨零件或物品的大規模生產——我們已經做到了。例如，對於像牙齒修復這樣需要高度個性化生產流程的應用，使用金屬添加製造技術來經濟高效地加快生產時間是可行的。

工業中的金屬3D列印

例如，航空航太領域的應用展示了金屬增材製造在需求不斷增長的行業中所帶來的機遇，比如針對性能進行了重新設計和優化(重量更輕、耐用性更強)的燃料噴嘴。

但不止於此。金屬3D列印允許設計師和工程師簡化現有的製造工作流程，並通過顯著增強提供新的生產機會，從而實現價值創造(創新和差異化)和價值捕獲(時間和成本的優化和效率)。

各行各業的公司，如大眾汽車(汽車)、Cobra Golf(消費品)和Parmatech(製造)都在利用金屬添加製造的優勢。

比如說-大眾轉向惠普金屬噴射技術尋找加速汽車零部件生產的方法。

大眾汽車技術規劃和開發負責人Martin Goede博士表示:“通過縮短零件生產的週期時間，我們可以非常快速地實現更大規模的量產。…惠普的新Metal Jet平臺是行業的一次巨大飛躍，我們期待著提高為我們的客戶提供更多價值和創新的標準。”