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三维金属打印对传统金属制造技术的影响

11 月 15, 2024

这篇文章讨论了三维金属打印如何产生金属新技术，并对铸造、机械加工和成型等方法产生影响。文章还将介绍金属如何通过定制的 3D 打印并对其对供应链和成本的影响、应用、与传统方法相比的优势和劣势进行总体评估。

三维金属打印对传统金属制造技术的影响

金属印刷技术

我们简单地将三维金属打印技术称为金属增材制造。它是指通过增材制造技术制造金属物体的过程。关于金属打印技术，需要了解一些关键信息：

流程:常见的金属三维打印工艺有选择性激光熔化（SLM）、直接金属激光烧结（DMLS）和电子束熔化（EBM）。这些工艺的工作原理是使多层金属粉末薄片熔化并融合，形成最终的实体物体。

材料使用的材料包括不锈钢、铝、钛、镍合金、铜、钴铬合金等。随着积极性的提高，产品种类也在不断增加。

如何使用 这种技术使用激光或电子束，使金属粉末或金属丝层层受能并粘合在一起，形成计划的设计。随后的每一层都与前一层牢固地粘合在一起，逐层形成最终部件。

关键金属三维打印工艺

目前最常用的三维金属打印方法是 SLM（选择性激光熔化）、DMLS（直接金属激光烧结）和 EBM（电子束熔化）。选择性激光熔化和直接金属激光烧结的过程是用激光束熔化金属粉末，而电子束熔化则是通过电子束熔化粉末层。选择性激光烧结也使用多喷射熔融技术。它的打印速度更快，并能在打印过程中结合不同的材料，因此正在不断改进。

金属三维打印材料

用于 3D 金属打印的材料有不锈钢、铝、镍合金、钛和铜。随着技术的发展，材料的选择范围也在不断扩大，以满足更多的工业需求和要求。

制造技术

传统金属加工方法

在快速成型制造技术兴起之前，常见的金属原材料成型技术包括车削、铣削和磨削等机加工工艺；冲压、弯曲和旋转等成型技术；以及在模具中铸造熔融金属。这些减法和成形方法可以去除或塑造块状材料，从而大批量制造零件，但受限于其所能生产的几何形状和设计。

数控加工

CNC（计算机数控）加工使用多轴机床上的切割工具，根据编程的 G 代码指令去除金属工件上多余的材料。在提供精度的同时数控加工会产生切屑废料，最适合用于基本的型材生产，而不是复杂的内部特征和轻型设计。

金属铸造

砂型、压铸和熔模铸造等铸造技术是将液化的金属合金浇注到模具中，使其凝固成接近净形的部件。铸造技术可生产出适合中小批量生产的复杂部件，但涉及模具制造成本。

金属板成型

冲压、冲压、弯曲和旋压等工艺通过在工具之间施加压缩力，将金属板和金属片加工成零件。大规模成型可以高效地制造出相同的零件，但与三维金属打印功能相比，在设计上有一定的局限性。

对制造业的影响

缩短供应链

三维打印指南通过将多个制造阶段整合到一个流程中，简化了供应链。不再需要热/冷加工、切割、连接或组装等中间步骤。只要有三维金属打印和粉末供应，就能按需生产零件，从而缩短了漫长的制造周期，减少了对安全库存的需求。

减少废物和材料使用

三维金属打印只在需要的地方逐层沉积精确的材料，与去除多余大块材料的减法技术相比，可最大限度地减少浪费。与传统技术相比，近乎全密度部件所需的材料减少了 5-10% ，金属粉末的重复利用率高达 97%。这既降低了能源和成本，又减少了对环境的影响。

降低定制和小批量生产的成本

金属三维打印机的资本支出要求较低，可避免传统大规模制造工厂的高固定成本。这使得快速成型技术对小批量生产具有吸引力，因为非标准或定制部件的单件成本不会大幅上升。小批量的生产也是可以承受的。

更大的设计自由度和复杂的几何形状

与减法加工或成型工艺三维金属打印能力相比，快速成型技术对零件设计的几何限制更少。复杂的内部晶格结构、保形冷却通道和病人专用植入体都可以在没有工具限制的情况下实现。轻量化可优化强度。

金属印刷应用

航空航天工业

三维金属打印技术使飞机和航天器制造商能够生产日益复杂的小体积部件，如涡轮叶片和热交换器。经过优化设计的部件可减轻重量，显著提高性能并节省燃料。钛和镍合金通常用于满足严格的机械规格要求。

汽车行业

由于速度和定制化方面的优势，赛车运动和高端汽车在发动机部件等应用领域较早采用了三维金属打印部件。量产汽车制造商也在寻找机会，例如利用轻质晶格结构制造隔热罩。铝合金是最受欢迎的材料。

医疗行业

钛合金和钴铬合金生物相容性植入物、假体和手术工具的规范化生产已得到广泛认可。与现成的替代品相比，定制设备可提高患者的治疗效果和成本效益。

其他行业

使用不锈钢等金属的快速成型技术已扩展到工业机械、石油/天然气、国防和发电等领域。特殊应用领域利用设计自由度，而一般制造领域则探索与传统生产相比的成本效率。

工艺比较

金属三维打印的优势

与减法技术相比，快速成型制造可实现更高的几何复杂性、设计优化和个性化制造。供应链的简化和浪费的减少降低了成本，而生产的可扩展性则有利于中小批量的生产。可实现复杂的内部晶格结构。

金属三维打印的局限性

整个机械性能会随构建方向而变化。有时需要进行后处理。与大规模生产相比，材料成本较高，构建时间较长，这限制了其应用。大部件尺寸可能超过打印机尺寸。与标准锻造合金相比，可用的金属牌号较少。

何时使用传统制造技术，何时使用快速成型技术

传统制造通过规模经济，在大批量标准化部件方面保持优势。复杂的铸造工艺适用于大型、小批量的专用部件。最佳工艺选择取决于零件设计/材料、生产规模/频率，以及标准/定制几何形状是否影响制造方法。通常情况下，这两种方法都会在行业内得到整合。

技术整合

传统方法与添加剂方法相结合

而不是取代传统技术、原型制作中的 3D 打印与制造生态系统融为一体。近净成形铸造可为数控加工提供毛坯。印刷模具以传统方式生产铸件。减材法完成需要严格公差的半成品印刷部件。混合工艺利用各自方法的优势，实现多材料、多属性的结果。

外包给专业制造商

虽然大型原始设备制造商拥有内部三维金属打印能力，但许多供应商也从外包金属添加作业中获益。合同制造商可以经济地获得先进的制造技术，而无需进行大规模的生产。资本投资.合作伙伴提供应用开发支持、生产优化、后处理、测试和认证服务。客户专注于核心竞争力，而专家则确保新产品的技术和法规合规性。

结论

随着三维金属打印技术和增材制造技术的不断快速发展，这两种技术与主流制造业的融合正呈现出越来越强劲的势头。虽然传统制造对大批量生产仍很重要，但快速成型制造在设计复杂性、供应链效率和定制小批量部件方面的优势，确保了它在各行各业中的地位。

随着材料和速度的改进降低了技术成本，三维金属打印技术将越来越多地与传统机械加工技术竞争，不仅在原型方面，而且在最终使用的生产部件方面。两种制造方法的互补优势也将通过混合自动化解决方案得到更广泛的结合使用。最终，增材制造改变设计和制造工作流程的革命性能力将推动其对未来行业标准和全球竞争力的影响不断提升。