PBF与DED：您应该选择哪种金属3D打印工艺？

从1984年第一个相关专利诞生，到2013年概念走红进入公众视野，时至今日增材制造（3D打印）技术，历经数十年的发展变迁，终于逐渐走向成熟和规范化。

以粉床熔融成形技术（PBF）为代表的金属3D打印在近些年逐步由实验室走向市场。粉床熔融金属3D打印通过激光或者电子束层层熔化金属粉末，能够一次性制造出材料性质媲美锻件的复杂金属零件。然而，目前金属3D打印也存在很多缺陷，比如产量低，不确定性大，零件尺寸精度低等。到目前为止，金属3D打印的参数优化主要依赖于反复实验。然而实验会耗费大量的时间，人力和资金。因此，通过计算机模拟仿真来了解金属3D打印的机理，在打印零件之前通过计算机提前优化打印的各项参数，便成为克服金属3D打印缺陷的一条捷径。

在金属增材的技术中，目前最成熟的是PBF和DED技术，均达到了工业化应用的程度。而从当前的市场规模数据来看，也印证了这一结论，2021年全球金属增材设备销售额达到9.9亿欧元，其中PBF已实现大规模工业应用占总份额83.8%，DED也已进入工业化应用占9.1%。

背景

由于粉床熔融金属3D打印所用的金属粉末尺寸大约为50微米，激光束或者电子束的最小聚焦直径也在100微米左右，然而需要打印的零件尺寸却常常大于几十或上百厘米，如果在微米尺度上直接模拟整个大型零件，有人估计以现有的计算机需要的时间是5.7x10^18年（宇宙的年龄才不到1.4x10^10年）。此外，在金属3D打印中的物理过程也是极其复杂的如图1。整个物理过程涉及到热传导、热辐射、热对流、热应力、金属粉末相变、熔池自由表面流体流动、流体润湿性、流体表面张力等等多领域多学科的复杂物理过程。这些过程的模拟仿真不仅需要对单一领域有深刻了解，更需要各个学科领域之间的通力合作。总的来说，金属3D打印的模拟仿真需要在一个多尺度多物理场（multi-scale and multi-physical）的大框架下进行。

PBF与DED：您应该选择哪种金属3D打印工艺？(深度)

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在增材制造中，金属与塑料一样是使用最广泛的材料之一。 这种材料的特性使其适用于要求最苛刻的市场，包括高性能应用。 在本文中，我们比较了两种主要的金属3D打印工艺：激光粉末床熔合 (L-PBF) 和定向能量沉积 (DED)。 我们将研究每种技术的特性、最常见的应用和领先的制造商，突出它们的异同。

首先简要介绍一下，PBF 包含几种涉及使用粉末床的增材制造工艺，无论是塑料、陶瓷还是金属。 您可能已经猜到了，今天我们将重点关注金属。 这个过程可以使用激光或电子束作为能源，例如电子束熔化（EBM），由制造商Arcam于2002年推出。但是，为了更直接地比较，我们将只关注以下过程： 使用激光作为热源。 根据不同制造商的名称，该过程也有其他名称，例如 DMLS，这是金属3D打印领域的领导者 EOS 于 1994 年获得专利的术语。 该首字母缩写词来自德语“Direkt Metall Laser Schmelzen”，翻译成英文为直接金属激光熔化。 它也可以称为 SLM for Selective Laser Melting，这是弗劳恩霍夫研究所于 1995 年引入的术语。

PBF过程

相比之下，DED 是一种比其他金属粉末床技术更新的方法。 它知名的时间更长，但直到最近十年才真正发挥作用。 该工艺使用粉末或线材形式的材料，在直接沉积到零件上的同时通过直接能源熔化。 该工艺以其修复和/或涂覆大型金属物体的能力而闻名。 DED 技术可以使用不同的能源，例如激光、等离子或电子束。 例如，WAAM（Wire Arc Additive Manufacturing）技术就属于这一类。 因此，比较 PBF 和 DED 过程并不容易，因为它们是两种截然不同的技术。 因此，我们将尝试了解它们是如何工作的、它们有何不同以及它们如何互补。

金属PBF和DED如何工作？

两者之间最大的相似之处之一在于3D打印中必须发生的一些设定步骤。 值得注意的是，3D打印过程总是从使用 CAD 软件创建待打印对象的3D模型开始。 然后切片机以数字方式逐层切割零件。

现在让我们从 PBF 开始：用惰性气体加热腔室以达到理想温度（对于 EBM 工艺，这必须在真空中进行）。 然后在板上涂上一层薄薄的粉末，同时将其加热到约 300/400°C 的温度。 然后，激光有选择地熔化金属颗粒并将其固化。 一层完成后，托盘向下移动，允许添加另一层粉末。 重复该过程，直到获得成品零件。

准备好后，必须让其冷却。 然后去除周围的松散金属粉末以及 PBF 几乎总是需要的印刷支撑。 强烈建议使用它们，尤其是第一层，以在不影响零件的最终几何形状和属性的情况下将零件固定在印刷板上。 最后，金属零件经过各种后处理过程，我们将在专门的部分中详细介绍。

就 DED 而言，它可以被认为是挤压和 PBF 的混合体。 事实上，这项技术制造的零件具有集中的能源来熔化材料。 打印头被送入粉末或金属丝，喷嘴逐层沉积所用金属。 金属在离开喷嘴时熔化到要修复的底座或部件上。 重复该过程，直到达到先前通过 CAD 软件设计的3D模型。

用激光进行DED工艺

DED 3D打印机是工业机器，可以使用三种可能的能源：激光、电子束和等离子。 根据所选能源的类型，3D打印机将拥有不同的环境。 请注意，大多数DED机器都是大型工业机器，需要封闭且受控的结构才能运行。 对于激光系统，活性金属需要一个完全惰性的腔室。 这需要大量的气体和时间才能达到所需的氧气水平。 对于电子束，该过程必须在真空中进行，以避免电子与空气分子相互作用或被空气分子偏转。 最后，当使用等离子体作为能源时，材料在惰性氩气环境中精确熔化。 该过程每秒被监控 600 多次以确保质量。

PBF和DED的优点和局限性

金属粉末床熔合是生产可直接使用的最终零件的最广泛使用的技术之一，与 DED 不同，后者更多地用于修复、涂层或添加定制零件。 综观这两种技术，两者都有优点和局限性。 金属激光融合的主要优势在于它可以制造出几何复杂度高的零件。 此外，当与拓扑优化相结合时，该技术可以用更少的材料制造更轻的金属部件，这在汽车和航空航天等行业至关重要。

另一方面，DED 技术非常适合加工具有高机械性能的大型金属零件。 DED 3D打印机由放置在多轴机械臂（可以有四个或五个）上的喷嘴组成，可实现高打印自由度和大打印量。 就生产时间而言，打印速度高达 5 kg/h 的材料沉积工艺是最快的工艺之一。 根据美国3D打印机制造商 Optomec 的说法，DED 比 PBF 快 10 倍。 这是一个优点，但在零件精度方面也是一个缺点，因为更高的打印速度需要更大的层厚度（在 5 到 10 毫米之间），因此零件的渲染精度较低。 另一方面，PBF 具有非常薄的层（低至 0.02 毫米），激光逐点作用于零件，这会延长生产时间但会提高细节水平。

拓扑优化可使3D打印金属部件更轻

就零件尺寸而言，DED 有利于生产大型产品，其中粉末床融合受板尺寸限制。 应该注意的是，可以使用 PBF 制造的最大零件不大于一米，而 DED 提供了在几米的大表面上工作的可能性。 然而，这两种技术都具有环境优势。 对于融合，在某些情况下，对于某些金属，未加工的粉末可以重复使用，因为新粉末可以与旧粉末混合。 另一方面，DED 在其制造过程中使用的材料较少，尽管该过程确实需要机械加工技术来去除零件上的材料。 尽管如此，与传统的施工方法相比，这两种技术都有助于减少废物。

从更“实际”的角度来看，PBF 技术不适合大规模生产，因为与 CNC 加工相比，它的成本太高。 因此，它更适合用于需要特定或定制几何形状的小批量生产，例如假牙。 最后，与 DED 相比，PBF 打印中使用的材料量对生产成本的影响也更大。 至于材料沉积技术的局限性，它不允许生产具有复杂几何形状的零件。 DED 将用于形状简单的零件。 然而，组件的大尺寸也会对价格产生影响。 机器本身的成本非常高，即使该过程仍然比 PBF 便宜。 最后，这两种技术还需要进行大量增加成本的后处理步骤。 我们将在本文后面更详细地讨论这个问题。

采用DED技术的3D打印火箭

以金属为主要材料

材料的选择对这两种技术都有重大影响，因为它代表了每个过程的主要成本。 对于 PBF，腔室需要充满金属粉末来打印零件，而对于 DED，零件越大，需要的材料就越多。

总的来说，激光融合提供了广泛的兼容金属选择，但有些金属至今仍然不兼容，例如非常适合焊接的高碳钢或高硅铝。 当需要特定材料时，这可能是一个限制因素。 然而，该工艺可以使用金属和合金，例如不锈钢、钴铬合金、铝（主要用于航空航天和汽车工业）、钛（特别适用于医疗领域）、铬镍铁合金和铜。 也可以使用金、铂和银等贵金属。 对于 DED 技术，可以在金属和陶瓷之间进行选择； 这里我们主要关注前者。 事实上，陶瓷很少被使用，因为它们实施起来很复杂并且只与激光能源兼容。

目前与这些工艺兼容的金属种类繁多

许多粉末或细丝形式的金属也可用于 DED 技术。 与 PBF 技术不同，直接能量沉积通常允许使用所有可焊接材料，例如钛和钛合金、铬镍铁合金、钽、钨、铌、不锈钢和铝。 在这种情况下，重要的是熔化温度高于腔室温度，因此该过程需要对每种材料进行不同且受控的程度。

PBF和DED的应用

这两种技术都可以用于广泛的应用和领域。 这两种工艺之间的主要区别在于粉末沉积和激光处理的方式，以及这些工艺的用途。 在 PBF 技术的情况下，它们用于航空航天、汽车、医药甚至珠宝等要求苛刻的行业。

例如，对于 DED 技术，主要应用包括大型零件的修复。 如果我们以航空航天领域为例，典型的应用示例是修理涡轮螺旋桨、阀门或各种工具。 也可以使用不同的粉末或将材料（例如钢和铸铝）结合起来以焊接电动机电池。 然而，PBF 技术不允许加入粉末，因为它们会混合并且无法使用。 然而，航空航天业仍然可以从其优势中受益，特别是对于复杂的定制零件或端件的生产。

PBF 零件的精度和质量也使其特别适合汽车行业的最终用途，将3D打印零件集成到汽车中，例如油分离器、底盘或发动机部件。 如上所述，它还可以与贵金属一起使用来制作珠宝或配饰。 对于医疗领域，这项技术提供了为每个患者定制的详细植入物的可能性，例如金属颅骨植入物或牙冠。

PBF技术使定制医疗植入物的生产成为可能

与 PBF 一样，DED 工艺也用于医疗领域，以生产骨科植入物、手术器械和假肢。 一些金属，例如钛或不锈钢，甚至具有生物相容性。 这意味着它们可以被植入体内而没有免疫系统过敏反应的风险。 最后，材料沉积还用于各类部件的金属保护涂层。 这使得零件更硬，更耐腐蚀、防锈、耐化学品或耐候。

其他行业也受益于这些技术，例如石油和天然气行业的压力容器等应用，可以用 DED 生产，以及海事和国防行业，例如用于组件的生产。 此外，在复杂零件的情况下，可以以互补的方式使用这两种技术，以便在最短的时间内获得尽可能详细的混合零件。 例如，正如 Irepa Laser 增材制造应用和开发经理 Didier Boisselier 所解释的那样，Irepa Laser 为国防部门生产了一种混合金属部件。 该零件内部几何复杂度高，需要对内部零件使用PBF，而对外部零件使用DED技术来加快处理速度。

DED用于具有简单几何形状的部件

后处理的不同阶段

虽然采用这两种技术制造的零件提供了高性能零件，即可以通过最严苛测试的超级合金产品，但要达到这样的结果，这两种工艺都需要更多的后处理步骤，这也增加了成本。 例如，表面光洁度很重要，尽管程度不同。 事实上，在 PBF 的情况下，有必要对表面进行处理以使其更光滑，因为零件看起来有颗粒感。 使用 DED，您将获得表面不完美的零件，因为材料在挤压过程中直接熔化。 因此，CNC 加工步骤始终是获得更明确和光滑的表面所必需的。

此外，金属在这两个过程中的快速加热和冷却都会导致内应力的积累。 热处理可以减轻这些应力，提高硬度、延伸率、疲劳强度等机械性能。对于金属激光熔合，需要去除多余的粉末和基体。 这可以手动、机械或通过电火花线切割完成。 接下来是表面精加工，其中可以添加抛光或 CNC 工艺以提高零件的美感。

对于 DED，铣削 (CNC) 零件是完成零件的重要步骤。 由于零件尺寸大，这很耗时并且需要大量投资。 一般来说，后处理金属零件最常用的技术是热等静压 (HIP)，它可以去除任何残留的内部微孔并完全固化零件，以及退火，这是一种用于提高零件机械性能的热处理选项 将其加热到高温，然后迅速冷却。 金属的表面处理方法包括干法电解抛光、喷砂等。

必须移除3D打印支架

应该记住，对于 DED 和 PBF，不可能定义一个单一的后处理过程，这将取决于零件的尺寸、使用的金属（例如，钛等材料需要特定的、 甚至更昂贵的处理），生产的零件类型和每个特定行业所需的规格。

主要厂商

如今，许多制造商都提供粉末床激光熔化机。 在主要厂商中，我们可以提到金属 3D 打印领域的主要参与者 EOS，如今它仍然是 DMLS 3D 打印机的主要制造商之一。 我们不要忘记 3D Systems，它于 2013 年收购了法国品牌 Phenix Systems，以扩展到金属增材制造领域。 它的过程被称为 DMP for Direct Metal Printing。 其他提供金属激光融合打印机的公司包括英国公司 Renishaw 或德国制造商 SLM Solutions——尽管这份清单并不详尽。

专注于激光 DED 机器的制造商包括 AddUp，该公司于 2018 年收购了市场领先的 DED 机器制造商之一 BeAM。 该公司还提供两种 L-PBF 解决方案。 American Optomec 也是领先企业之一，其专利 LENS 工艺于 1998 年推向市场。如今，该公司拥有不少于七种解决方案。 制造商 FormAlloy、DMG Mori、InssTek、Relativity 和 Meltio 也值得一提。 后者声称提供市场上最便宜的 DED 机器。 最后，其他公司提供这两种解决方案，例如德国公司 Trumpf 或意大利公司 Prima Additive，后者为铜和反射金属提供双激光或绿激光选项。 虽然还有很多。

价格

如前所述，DED和PBF 3D打印机之间的价格很高，但并不相同。 事实上，定向能量沉积工艺可以被认为比粉末床融合工艺便宜大约 5 倍。 虽然很难给出确切的数字。 制造商不会在线披露其产品的价格，成本可能会因用户操作3D打印机的方式而异。 它还取决于买家是否也想从后处理解决方案或特定材料中受益。 无论如何，很难在该类别中找到一台价格低于 80,000 美元的金属机器。 一些3D打印机甚至可能高达近 1,000,000 美元。 谈到粉末床激光聚变解决方案，起价可达 200,000 美元。 考虑 3D Systems 的 DMP Flex 350，估计约为 575,000 美元，或 DMP Factory 350，最高可达 763,000 美元。 对于 DED 系统，当考虑更复杂的解决方案时，价格可能会大幅上涨，例如 DMG MORI 的 LASERTEC 6600 DED 混合机床，它将 DED 技术和减材加工结合到一个解决方案中。 它的估计成本是最高的之一，在150 到 300 万美元之间。

难熔金属制成的PBF 3D打印零部件

使用难熔金属进行3D打印是充满挑战的，特别是像钨、铬、铼这类熔点很高的金属，更别提纳米级粉末颗粒了。然而，这些金属——钼、铌、钽、钨和铼——不仅具有极强的耐热性和耐腐蚀性，而且即使在高温下也能保持其结构完整性。这使它们成为一系列具有挑战性的航空航天、工业和科学用途的绝佳选择。

用铌等难熔金属3D打印复杂的双壁涡轮叶片的能力为显着提高发动机工作温度铺平了道路Castheon

挑战与机遇并存

挑战无处不在

通过传统加工工艺来加工难熔金属也是充满挑战的，一个普遍问题是难熔金属非常难以通过传统的制造方法进行加工，例如机械加工和成型。在此与其相对较高的成本之间，难熔金属的使用长期以来一直仅限于工件形状相对简单、材料去除量极少以及高温合金无法按需发挥作用的应用。

根据来自加利福尼亚州的Castheon公司，当前激光粉末床熔化(LPBF)工艺 解决了与难熔金属和合金相关的大部分可制造性问题。尤其是金属增材制造技术允许创建拓扑优化的轻量级组件，这些组件包含多孔或晶格结构，否则这些组件的设计是不切实际甚至是不可能生产的。

以经济高效的方式制造熔点几乎是INCONEL、哈氏合金和其他流行的耐热高温合金(HRSA)两倍的金属部件，金属3D打印难熔金属为一些令人兴奋的可能性打开了大门。更高的温度意味着更省油和更持久的燃气涡轮发动机，这对商业航空和发电行业至关重要。

3D打印难熔金属对高超音速航空制造业也有应用潜力，根据3D科学谷的市场了解，美国宇航局、美国空军和其他机构长期以来一直对商业和军事用途的持续高超音速飞行感兴趣，然而，直到最近，才可能将难熔金属制造成支持5马赫及以上速度所需的复杂形状。

根据Castheon公司，金属增材制造不仅可以制造出各种适合3D打印的复杂形状，而且铌基合金比它们的锻造合金要稳定得多。在1,300摄氏度的温度下，它们的拉伸强度是其1.8倍。其他难熔金属，如钨和铼，也表现出类似的好处。

不过要想在3D打印难熔金属这个利基市场取得成功，还是充满挑战的。难熔金属合金和粉末的生产是充满挑战的，导致高成本和材料稀缺。由于狭窄的操作窗口和“独特的颗粒控制机制”，3D打印难熔金属也非常具有挑战性。

钼、钨、钽和铌存在的一些挑战来自它们的体心立方原子结构，它们存在韧脆转变温度(DBTT)。钼和钨等金属具有非常高的DBTT，这会导致成品零部件中的应力积聚和微裂纹。

应对挑战的种种策略

对于锻造材料，可以通过冷加工等热机械工艺来减轻这些故障模式，但这对于3D打印组件来说是不切实际的。解决方法是将难熔金属与铼、镍和铁等元素合金化，以降低韧脆转变温度和减少应力。

打印工艺也很重要，例如可以通过加热构建板减少开裂，这是常见策略，有些机器能够达到500摄氏度或更高。这有可能缓解从液体到固体的转变，尤其是钼和钨，它们具有更高的DBTT。

同样重要的是要注意构建室或粉末中的氧气对构建过程是有害的，因为过多的氧气会进一步增加DBTT和金属的微裂纹。在金属增材制造设备中拥有高质量的原料和良好的气氛控制对于打印难熔金属的成功至关重要。

然而，即使无法消除微裂纹及其导致的结构完整性损失，难熔金属仍然可以发挥重要作用。

例如，钨被广泛用于X射线和CT扫描仪中的抗散射网格准直器，它们的机械载荷水平要求与航空航天和军事应用中的机械载荷水平要求不同。而难熔金属表现出的优异的导热性和低热膨胀系数，使其非常适合用于热交换器和用于种植蓝宝石的坩埚。

再例如，由于其低DBTT和耐高温性，钽和钽钨合金(Ta10W)被选作卫星组件，要求其在超过3,000摄氏度的温度下表现出一致的导电性、极高的抗拉强度和最小的变形.

H.C.Starck参与的一个项目是为英国航天局打印一个电阻喷嘴段。该项目被称为超高温增材制造Resistojets，或STAR。（阻力喷气式发动机是一种简单的电力推进系统，它通过加热流体来产生推力。）

据了解，金属增材制造难熔金属的开发项目带来了难以置信的灵活性，创建定制合金混合物的能力也是如此。一个富有想象力的应用空间是，将开发出“预合金”金属，在3D打印时提供了更好的一致性。例如，钛-锆-钼是一种流行的医用合金，而钼镧、钨铼和铌基合金C-103，也获得了越来越多的应用探索。

拿钨组件的3D打印来说，出了LPBF选区激光熔化金属3D打印技术，还可以通过EBM电子束技术来增材制造钨组件。国内企业中，西安铂力特、湖南伊澍智能制造等少数企业也在开发钨金属材料的增材制造应用。铂力特已利用SLM 3D打印设备开发出了钨合金3D打印零件，零件整体采用薄壁结构，最小壁厚仅0.1mm。湖南伊澍智能制造基于EBM 3D打印技术开展了对WC-Co硬质合金层-金刚石复合材料组分以及材料增材制造工艺参数的研究，该技术旨在解决硬质合金刀具涂层剥落的问题，利用增材制造工艺与材料，实现金刚石涂层材料与WC-Co硬质合金层以化学键方式的结合。

PBF金属3D打印装备制造商实际上都在扩展其3D打印机的Z轴制造尺寸，这是一种新兴趋势。国内的设备商，有意无意间实际上已经掀起了一场技术竞赛，一系列多激光、米级的装备纷纷发布。国内外的这种现象，表明在航空、航天、军事等领域有使用特定类型、尺寸零件的制造需求，尤其是一些公司在宣传文案中特意指明，某机型适合某类零件的制造。

研究人员利用激光定向能量沉积3D打印开发新型可持续钛合金，可控制不同区域的硬度和延展性

皇家墨尔本理工大学和悉尼大学的研究人员，与香港理工大学和瑞典软件开发商Hexagon的制造智能部门合作，成功开发出一种新型的钛合金材料。这一研究成果为钛合金在多个领域的应用打开了新的可能性，并为实现更可持续的制造方法提供了有益的启示。

激光定向能量沉积3D打印的钛合金微观结构示意

新型3D打印钛合金有什么作用？

这种钛合金具有坚固、延展、可调和可持续的特性。传统制造钛合金的成本很高，而这项研究为新型的高性能钛合金提供了潜力，可在航空航天、生物医学、化学工程、太空和能源等领域应用。

该研究团队采用了合金和3D打印工艺设计相结合的方法，利用激光定向能量沉积（L-DED）技术从金属粉末中3D打印出这种新型钛合金。这种创新的制造过程使得钛合金的生产更加可持续和经济实惠。

皇家墨尔本理工大学的首席研究员Ma Qian教授表示，他们将循环经济的理念融入到设计中。这种新型合金可以使用废品和低级材料进行生产，无需昂贵的添加剂如钒和铝，而是采用廉价且丰富的氧气和铁。

△该研究论文已发表在《自然》杂志上，研究题目为“通过3D打印制造实现强韧性钛氧铁合金”

开发新合金过程中遇到的挑战

该团队的合金由两种形式的钛晶体组成，即α-钛相和β-钛相的混合物，被称为Ti-6Al-4V。每种形式对应着特定的原子排列。

Ti-6Al-4V是最常见的钛合金，在传统生产方法中使用6%的铝和4%的钒，占据了钛合金市场超过50%的份额。而这项新研究则使用氧和铁代替了铝和钒。除了易获取和成本较低外，这些元素还是α-钛相和β-钛相的两种最有效的稳定剂和强化剂。

传统上，含有高含量的钛和氧的钛合金面临着发展和采用上的挑战。

Qian评论道：“一个挑战是氧，通俗地描述为‘钛的氪石’，会导致钛变脆；另一个挑战是添加铁可能导致大片β-钛相形态的严重缺陷。”

该团队通过激光定向能量沉积（L-DED）技术，成功在新型合金的α-β相界面上实现了原子级微观结构的3D打印

L-DED 3D打印通常用于制造大型复杂零件，它使得科学家们能够调整合金的机械性能。他们成功地在合金中创建了纳米级的钛晶体，并精确控制了氧和铁原子的分布。这使得合金的某些区域非常坚固，而其他区域具有延展性，确保材料在受力时不会变脆。

悉尼大学的联合首席研究员Simon Ringer教授解释说：“关键的推动因素是氧和铁原子在α-钛相和β-钛相之间以及内部的独特分布。我们在α-钛相中设计了纳米级的氧梯度，包括坚固的高氧区域和具有延展性的低氧区域，这使我们能够控制局部原子键合，从而减轻脆性问题。”

还有哪些金属3D打印技术

选区激光熔融（SLM）

选区激光熔融技术是一种粉末床熔融（PBF）增材制造技术，它以激光为热源。在SLM过程中，增材制造的结果受到参数的影响，如激光功率、散焦量（光斑大小）、扫描轨迹、扫描速度、层间距离等，下图显示了SLM技术的原理。激光通过透镜聚焦到XY扫描镜上后，通过XY扫描镜的偏转来调整激光的位置。零件通过CAD模型进行切片，并逐层打印。每层完成后，通过调平辊对粉末层进行重新铺设。SLM技术有很多优点，如加工速度快、工艺灵活性高、材料利用率高，这使得SLM技术得到广泛的应用。因此，用SLM技术生产的纯铜零件被应用于各个领域。Wang等人利用SLM技术在钢铁表面生产纯铜疏水层。在这项研究中，由于SLM技术的高灵活性，成功地生产了接触角高达160°的涂层。

△选择性激光熔化（SLM）进行增材制造（AM）的示意图

纯铜的优点是物理性能优良，但也有在熔融状态和液态下对激光的反射率极高的特点。市面上的SLM设备使用波长在1000-1100纳米之间的激光器。然而，在这个范围内，纯铜对激光的反射率高达98%。许多学者都指出了激光反射的危害。在Jadhav等人的研究中，他们让光学涂层在无保护的情况下暴露12小时，同时用波长为1080nm的激光在反射率为90%的铜基材上反复扫描。下图显示了12小时反射后光学涂层的损坏情况。图中显示了涂层的明显剥落，这表明了反射激光对光学元件的损害。此外，高反射率也会导致能量损失，造成热量输入不足。为了解决由激光反射引起的热输入不足的问题，研究人员采取了不同的方法，如使用高功率单模光纤激光器，使用其他波长或频率的激光来增加吸收率，或在粉末中添加其他元素来增加激光的吸收率。

铜能比1000nm更容易吸收515nm的激光波长。金属对激光的吸收率高达25-40%。因此，采用绿色激光作为铜的SLM 3D打印能源可以减少对激光能量的需求，并提供聚焦精度。在Prasad等人的研究中，为了保持必要的热输入，与铝、钢和钛的添加制造相比，他们使用最大的功率（1千瓦）和最小的速度（0.1米/分钟）。其他研究人员正在开发蓝色和红色激光的SLM技术，但对纯铜的研究还不多。

选择性电子束熔化（SEBM）

选择性电子束熔化（SEBM）技术作为另一种PBF技术，其原理与SLM技术基本相同。如下图所示，SEBM技术也是通过三维建模建立零件模型，然后通过电子束的选择性熔化逐层生产。与SLM技术不同的是，SEBM使用的热源是电子束，电子束通过电磁线圈的影响使得电子束选择熔化区域的变化。此外，SEBM技术有很多优点，例如：高真空，避免了制造过程中零件的氧化；低反射率，使其适合加工高再反射率的材料；在大多数情况下，不需要热处理，因为SEBM成形过程需要对基材进行预热；可以使用更高的功率以确保更高的加工率。

△ SEBM过程。左图：成形室。右图：建造一层的4步流程。

目前，SEBM技术被应用于各个领域，如人造骨骼、航空航天等。由于材料反射电子和光子的方式不同，SEBM技术将非常适用于高反射率材料的加工。因此，SEBM技术可以解决熔融状态下铜的高反射率问题。它已经吸引了许多研究人员的注意。此外，在纯金属增材制造的情况下，它对污染物的影响很敏感，特别是氧气对零件性能的影响。SEBM的技术可以避免环境中氧气的影响，因为它是在真空条件下进行的。然而，在运输和储存过程中，纯铜粉的氧化是不可避免的。Guschlbauer等人对此进行了研究。他们通过使用不同氧含量的粉末生产零件，并研究了氧含量对零件性能的影响。最后证明，过高的氧化物含量会引起裂纹和其他缺陷，这将严重影响零件的性能。

粘结剂喷射（BJ）技术

粘结剂喷射（BJ）技术起源于20世纪90年代的美国麻省理工学院。BJ增材制造技术以PBF技术为基础，但在设备上存在一些差异，下图是BJ增材技术的原理图。我们可以看到，打印系统是由打印头、撒粉器、加热灯和打印进给床组成的。打印过程是BJ技术与其他增材制造技术的主要区别。当粉末铺设在打印床上时，与PBF技术不同的是，打印头不会按照计划的路径发射高能光束来熔化粉末，而是喷射粘合剂。然后加热灯会移动到喷洒粘合剂的位置进行加热和固化。当粘合的部件被解粉后，部件被放置在高温炉中进行烧结并热解粘结剂。

△粘结剂喷射工艺步骤的示意图。

随着近几年的发展，BJ技术已被广泛应用于各种材料，如金属和陶瓷。在目前的研究中，金属的增材制造引起了更多的关注。BJ技术已经被应用于铜、铁、铝等纯金属和合金。由于其特殊的优势，BJ增材制造技术发展迅速。与普通的PBF技术相比，它具有以下优势：

1. 生产零件没有尺寸限制；

2.不需要支撑结构；

3.适用材料范围广，不需要注意材料的熔点反射率等物理性能，可以与不同材料混合；

4.设备价格低，不需要封闭腔体；

5.对粉末的要求低。

BJ增材技术的特殊加工工艺适用于高反射率材料的加工，为纯铜添加剂的加工提供了新的选择。早在2015年，Bai等人就探讨了用BJ增材技术生产纯铜组件的可行性。文章谈到了不同粉末生产的部件的密度、收缩率和拉伸强度的变化。最后，通过调整工艺参数得到了下图所示的复杂结构件。采用BJ增材技术生产的零件的最大密度为85.5%。BJ增材制造技术生产的零件密度过低，所以零件的抗拉强度低于传统加工方法生产的纯铜零件。密度比低是由于在通过BJ增材制造技术生产零件的过程中加入了大量的粘合剂。在烧结过程中，粘合剂被加热分解后会留下大量的孔洞，从而降低了零件的密度。同时，孔的存在也降低了零件的性能。

2021年2月27日，工业3D打印机制造商DigitalMetal宣布推出一种新的纯铜粉末——DM Cu，适用于粘合剂喷射3D打印技术。这种材料以优异的导热性而闻名，成为热交换器、管道、发动机和电子产品的散热器等传热部件的选择，用户可以通过配套的DM P2500 3D打印机制造出99.9％的纯铜组件。据悉，Digital Metal已经通过内部的一些测试应用对新型DM Cu粉末进行了实验。首先，公司3D打印了一个喇叭波导天线，用于引导无线电波的波束。

选区激光烧结（SLS）

选区激光烧结（SLS）技术起源于20世纪80年代，其工作原理与SLS相似，只是所使用的材料是含有一定量的低熔点高分子聚合物 。像SLS和BJ这样的技术被称为两步法，通过打印得到生坯，然后通过后处理的单独操作或烧结来达到全密度。现在，该技术已成为研究热点，并逐渐应用于工业生产。Amorim等人通过SLS技术研究了铜合金材料和纯铜材料之间的EDM电极性能差异。这项研究为工业界提供了一个新的思路。虽然最后的结论发现效果并不理想，因为零件内部有大量的孔，纯铜通过SLS制作的EDM电极无法达到良好的工作效果，但这也为今后的研究指明了方向。

超声波增材制造（UAM）

超声波增材制造（UAM）技术与SLM和SEBM增材制造技术不同。在UAM增材制造的过程中，不需要热源。UAM技术中的一小部分热量是由摩擦产生的，所以大多数学者更愿意用扩散结合和摩擦搅拌焊接来与UAM进行比较。有学者认为，UAM增材制造技术的结合机制是两片金属片之间的粘滑运动。这种结合机制介于扩散结合和搅拌摩擦焊接的结合机制之间。

△UAM技术原理示意图

由于商业化的UAM增材制造设备功率较低，它只适合于加工一些材料，如薄铝。因此，爱迪生焊接研究所开发了一种高功率UAM增材制造技术，即 “极高功率超声增材制造”（VHP UAM）。这也为纯铜的UAM增材制造提供了新的方法和思路。在Sriraman等人的研究中，研究了纯铜VHP-UAM添加剂制造的结合特性。在这个实验中，150微米的铜箔被用作VHP-UAM添加剂制造的原材料。零件的硬度测试表明，在生产过程中出现了明显的软化和增强的塑性流动。加工前原材料的晶粒尺寸为25微米，经过短时间加工后在界面上形成了0.3-1.0微米的动态再结晶区。这种现象使冶金结合通过晶界迁移，并使带子连续焊接形成三维截面。目前，关于UAM增材制造铜制复杂零件技术的研究并不多。一方面，它受到技术本身的限制，另一方面，它受到零件性能的限制。目前的研究大多是利用UAM快速成型技术制造由不同材料组成的零件，并研究其成型机制。复杂结构的制造一般是指生产具有复杂通道的零件。

激光金属沉积技术（LMD）

激光金属沉积技术（LMD）是一种定向能量沉积（DED）的近净成形技术，该技术有其独特的优势，虽然该技术的成形精度远不及PBF技术，但面对大型零件的生产和修复，该技术可以发挥巨大的作用。LMD技术与SLM技术相同，都是以激光作为热源。近年来，LMD技术在业界引起了很大的关注。Arregui等人在2018年研究了LMD增材制造金属零件的几何限制。结果显示，在不调整激光头的情况下，90-60°可以获得良好的成型零件。Singh等人检测了LMD生产的1-3毫米的纯铜包覆层，发现其结合强度可以达到48MPa，且耐腐蚀性好。它可以在活性腐蚀条件下保存很多年，但孔隙问题仍需迫切解决。Yadav等人通过PBF工艺确定了LMD的工艺窗口，最终获得了密度高达99%的成型件，其拉伸性能经测试高于传统铜件。

△激光金属沉积 (LMD)技术

基于FFF原理的挤出式打印技术

国内金属陶瓷间接3D打印引领者深圳升华三维开发出一种拥有自主知识产权的粉末挤出打印技术（Powder Extrusion printing，PEP），该工艺克服了纯铜材料3D打印制造领域的挑战，在纯铜3D打印上一举填补国内空白。基于PEP技术3D打印纯铜不需要高能激光束，巧妙地避开了纯铜打印过程中的高导热率、高反射率的问题，通过先打印生坯，然后再经过脱脂、烧结，得到纯铜零件。在打印过程中，想要获得高致密度或高导电导热纯铜制件，其纯铜打印材料配方和脱脂烧结的工艺要求也非常高，升华三维纯铜颗粒料UPGM-CU则十分适配于纯铜3D打印，其保持原料高纯净度的同时还具有更易实现致密化的特性，能满足不同铜零件的打印需求。升华三维自主研发的3D打印设备，可以加工纯铜及其合金材料以制造致密的部件，目前已经广泛应用于热交换器、散热器和电感应器的产品开发中。

△升华三维间接3D打印流程

德国初创公司TSI开发了一种熔丝FFF3D打印工艺，可以在丝材中加入金属或陶瓷颗粒，并最终得到金属或陶瓷部件，从而为空间应用提供制造能力。作为欧空局的孵化企业，TSI注重材料的热和机械性能。基于高的导热性，纯铜的3D打印一直备受关注，TSI希望能够推出低成本的3D打印解决方案。在2021年6月，该公司成功采用FFF技术实现了高密度、结构复杂、无氧纯铜散热器打印。

冷喷涂增材制造

冷喷涂是一种利用固态粉末颗粒自固结能力而实现颗粒相互结合的粉末沉积方法，在高速冲击的条件下，这种粉末的自固结才能得以实现。该过程利用动能的力量，而不是依赖高功率激光和昂贵的气体，以很低的成本进行金属3D打印。

△高/低压冷喷涂设备系统装置结构示意图

SPEE3D金属3D打印机的供应商（特有冷喷涂技术），也是当前澳大利亚陆军制造合作伙伴，已被美国海军选中参加代号为MaintenX演习，通过本次合作，意在推动将3D打印部署在实战中。SPEE3D工艺的最大优势是3D打印成本低，缩短时间。例如，下图所示的铜轮仅在2.8分钟内完成，成本仅为10美元，这是一个巨大的价格优势。

光固化技术

2021年8月，美国Holo公司推出了一项使用光聚合物浆料和立体光刻技术（SLA）来制造精密金属部件的技术——PureForm，目前在国内目前还很少见。这项技术的具体工作原理是：

① 制备专有的金属-聚合物浆料；

② 用光固化3D打印机进行打印；

③ 得到密集的金属微粒聚合物基体；

④ 脱脂；

⑤ 烧结得到完全致密的零件

因为采用光固化技术打印，所以精度比较高，能够制造出150-200微米的结构。Holo公司的浆料具有极佳的分散性，在打印过程中可形成均匀的层厚，打印机可在不到10s的时间内固化新层。目前，Holo通过DLP+脱脂烧结工艺成型的纯铜的致密度平均为96-98%，足以达到大块铜95%的导热率和导电率。此外，该工艺还可能会减少激光打印产生的裂纹问题。

△立体光刻技术——PureForm

审核编辑：刘清