天游线路检测中心 金属3D打印机基础知识：彻底解释每种方法的差异和特点
金属3D打印机可以打印出比传统金属加工方法更复杂的形状，而且它们还具有减少材料损耗和缩短施工时间等各种其他好处，因此它们正在投入越来越多的实际应用。在本专栏中，我们将详细讲解金属3D打印机的基本机理和主要建模方法。
什么是金属3D打印机（增材制造设备）？
金属3D打印机是一种以金属粉末或金属丝为材料，用激光或电子束将其熔化，并逐层构建以根据3D CAD数据创建三维形状的设备。金属材料的加工方法有切割、铸造、锻造、钣金加工、冲压加工、粉末冶金、连接等，但金属3D打印机可以称为新型机床。
金属 3D 打印机的历史
金属 3D 打印机的发展可以追溯到 20 世纪 80 年代。 1987年，美国人Chuck Hull开发了SLA-1，这是第一台采用立体光刻技术的商业3D打印机。它是由树脂制成的，但后来开发了用激光熔化金属粉末的技术，商业金属 3D 打印机在 20 世纪 90 年代出现。 2013年美国总统奥巴马发表国情咨文后，金属3D打印机开始受到世界各地的关注，美国、欧洲、中国等国家纷纷启动开发项目。 2014 年在日本也是如此技术研究协会下一代3D增材制造技术开发组织(TRAFAM)已经成立并正在开展各种3D打印项目，包括金属3D打印机。
传统金属加工方法与金属3D打印机的比较
构建材料层以创建三维物体的处理方法称为“增材制造 (AM)”。与传统的金属加工方法相比，增材制造具有以下优点。
- 可以制造复杂的形状，例如网格、点阵结构和中空结构。
- 通过优化结构，可以在保持强度的同时减轻零件的重量。
- 通过一体成型多个部件，可以减少部件数量并消除焊接、钎焊和紧固件。它还减少了装配工作并缩短了施工周期。
- 不需要模具、铸造模具或夹具，也不需要存储模具。
- 与机械加工相比，材料浪费更少。
- 如果有3D数据和金属材料，就可以立即制造，因此可以在很短的交货时间内制造。由于可以按需生产，因此无需持有库存，并且可以根据需求调整生产量。
- 由于它可以直接根据 CAD 数据制造，因此适合涉及设计变更的原型制作、开发和定制制造。
- 数字化使生产不再依赖于工艺。金属3D打印机可以说是实现DX的工具之一。
正如每种传统金属加工方法都有其优点和缺点一样，金属3D打印机也存在以下问题。
- 可打印的尺寸、形状和金属材料有限制。 （根据金属 3D 打印机方法和制造商型号而有所不同）
- 无法高精度打印任何形状；有适合印刷的形状和排列。
- 切割工艺在尺寸精度和表面粗糙度方面更好。
- 即使您批量生产可以使用传统方法制造的物品，您也很可能无法获得任何成本效益。设备成本和金属粉末等材料成本往往比传统方法更昂贵。
- 通常需要后处理。虽然根据金属3D打印机的方法和制造商的型号而有所不同，但都需要去除支撑材料（中空部分的基底）、热处理、喷砂处理、表面精加工等。
金属3D打印机的类型（打印方法）
金属3D打印机根据其打印方法可以分为几种类型。
首先，我们来看看可用的方法类型及其特点。
1。粉末床熔融：PBF/粉末床熔融法
粉床法是金属3D打印机中最主流的，在世界各地广泛使用。激光或电子束热源选择性地扫描到粉末床上，金属粉末在粉末床上均匀分布，反复熔化和凝固，一次堆积一层。造型完成后，除去周围的粉末，取出完成的模型。收集周围的粉末，过筛并重新用于建模。
粉末床方法在航空航天和医疗领域有着出色的记录，因为它可以生产比其他方法具有更高精度和再现性的零件，并且还可以生产高密度和高强度的零件。
粉末床方法有两种：激光和电子束加热源，每种都有自己的特点。这将在下一节中详细解释。
[主要制造商]
·激光：EOS、3D Systems、Nikon SLM Solutions、Colibrium Additive（以前称为 Concept Laser）、Matsuura Machinery Works、Sodick
·电子束：Colibrium Additive（原Arcam）、三菱电机、JEOL
粉床法中激光与电子束的比较
在前面提到的粉末床方法中，将金属粉末熔化并成型，但使用激光和电子束作为加热源。主要区别如下。
| 激光粉床法 | 电子束粉末床法 | |
|---|---|---|
| 最大输出 | 典型的光纤激光器功率为 400W 至 1kW。许多型号配备了多个激光源。 | 3kW～6kW |
| 光束偏转 | 机械（电流镜驱动） | 电磁偏转 |
| 光束扫描速度 | 低速（毫秒级） | 高速（微秒级） |
| 热输入效率 | 根据金属材料和激光类型的不同而有很大差异。典型的光纤激光器约为 5 至 40%（钛约为 65%）。 | 几乎所有金属材料都达到80%以上 |
| 营造氛围 | 惰性气体 | 真空 |
| 预热功能 | 无或最高200℃左右 | 是（最高1100℃） |
| 其他 | 在金属 3D 打印机中最受欢迎。有多种设备型号可供选择。该装置相对紧凑。 | 需要真空室 |
这是一般比较。激光法的规格根据安装的激光器的输出和数量以及设备制造商的型号而有很大差异。
我们来看看激光法和电子束法的优缺点。
激光粉床法的优点
首先，让我解释一下激光方法的优点。
激光束具有高会聚性，因此可以高精度成型形状微小、内部结构复杂的零件。打印后的表面比较光滑，减少了后处理所需的工作量。此外，与电子束金属3D打印机相比，该设备相对较小，需要的安装空间也较小。此外，由于它在世界各地广泛使用，因此其特点是拥有经过验证的记录和许多实际应用实例的材料。
激光粉床法的缺点
缺点是难以均匀预热，因此容易积累残余应力，并且根据金属材料和形状，可能会发生变形或裂纹。因此，印刷后常进行热处理以消除内应力。
而且，与电子束源相比，输出稍小，热输入效率较低，因此制造速度相对较慢，生产大部件或大批量需要时间。配备多个激光器的多激光器类型可以打印大型零件，但需要几天时间才能完成。
电子束粉末床法的优点
接下来，我们来看看电子束3D金属打印机。
电子束装置在熔化前用电子束高速扫描整个粉床表面，可在短时间内将其预热至数百℃至1000℃的温度。热加工（电子束余热）可以抑制残余应力，从而抑制模型物体的变形和裂纹。另一个优点是它比激光方法需要更少的支撑材料。与激光相比，电子束具有更高的功率和更高的热能转换效率，因此可以更快地制造，这使得它们在制造大型零件或一次性批量生产时具有优势。此外，由于电子束法在真空环境下进行建模，因此可以抑制氧气和水分的影响，因此适合对钛合金等活性金属进行建模。光纤激光器还适用于吸收率低的材料，例如钨、钼等高熔点金属以及纯铜。
电子束粉末床法的缺点
另一方面，电子束金属打印机也面临着挑战。
首先，在电子束法中，物体周围的粉末在预热过程中轻微地结合在一起，因此在物体形成后必须通过喷砂去除预烧结粉末。如果有内部流道或内部比较复杂，则很难通过喷砂去除预烧结粉末，因此我们不擅长成型具有复杂水管的模具。
由于使用的金属粉末粒径比激光法大，因此在微观形状精度和表面粗糙度方面激光法略好。
而且，与激光设备相比，设备制造商并不多，而且具有良好打印记录的材料仍然有限，所以我希望未来打印材料的范围能够扩大。
2DED法（定向能量沉积）
DED（沉积）法是一种利用激光、电子束或电弧放电的能量连续供给金属粉末或金属丝并熔化和沉积的建模方法。
主要优点是打印速度比其他方法更快，并且可以打印大型零件。
另一方面，粉床法在尺寸精度和表面粗糙度方面普遍优越，而且对可打印的形状有限制，因此不擅长生产微小零件或形状复杂的零件。
由于它像堆积物一样从喷嘴沉积，因此可以为不同的金属和零件添加形状，并且也广泛用于修复零件。根据设备型号的不同，还可以通过在打印过程中切换供应的金属来打印不同的金属。
[主要制造商]
·激光（粉末）：DMG森精机、尼德克机床、尼康、芝浦机械
·激光（线）：三菱电机、Meltio
·弧（线）：WAAM3D
·电子束（线材）：西亚基、Pro-beam
3FDM方法（Fused Deposition Modeling/熔融沉积建模）
与一般树脂3D打印机原理相同。材料挤出方式：
[主要制造商]
Stratasys、Nano Dimension（以前称为 Desktop Metal）
4粘合剂喷射
液体粘合剂有选择地从喷嘴喷射到铺展的金属粉末上，使其逐层固化。与FDM方法类似，印刷后，在脱脂过程中去除粘合剂并在炉中烧结。烧结过程中体积收缩约20%。打印时不需要高温热源，也不需要支撑材料。与粉末床法类似，未用于造型的金属粉末可以重复使用。虽然它具有高产量并有适合大规模生产的潜力，但它的密度和强度往往低于粉末床方法，使其难以应用于实际零件。我们主要擅长成型微小形状的小零件。
[主要制造商]
Nano Dimension（以前称为 Desktop Metal）、Markforged（以前称为 Digital Metal）、惠普
其他方法包括超声波沉积（其中金属粉末从喷嘴高速喷射以粘合金属颗粒）和液态金属沉积（其中使用喷墨金属板喷射金属颗粒的悬浮液，在高温下粘合并沉积）。
金属 3D 打印机物体
铜建模
钛合金造型
钨钢造型
JEOL JAM-5200EBM 的功能和规格
最后，我想介绍一下JAM-5200EBM，这是JEOL开发的电子束粉末床金属3D打印机。
JAM-5200EBM配备高功率6kW电子束源，生产效率高。阴极寿命长，具有自动电子束校正功能，并配备粉末飞散防止装置，因此可以长时间稳定地进行电子束照射的再现性生产。
如果您正在考虑实施或想考虑适合您公司的实施方法，请随时与我们联系。
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我公司应用半导体制造电子显微镜和电子束光刻设备培育的电子束技术，开发了电子束粉末床熔融（EB-PBF）金属3D打印机JAM-5200EBM。与其他金属3D打印机方法相比，粉末床熔融方法具有更高的密度和强度，并且还可以打印高清晰度的复杂形状。
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