金属3D打印的技术本质与壁垒

金属增材制造并不是新名词，其最早可以追溯到上世纪末的实验室研究。真正的加速期，出现在过去十年：

激光系统愈发稳定，金属粉末制备技术成熟，工艺数据库与算法不断完善，高端制造业开始将其应用到真实生产场景中。

目前，无论是航空航天、能源装备，还是高端模具制造，都已经逐步将金属3D打印纳入核心工艺路线。然而，当我们更深入研究，不难发现：

金属增材制造真正的门槛，从来不在某一个单点技术，而是“材料—工艺—设备—软件—检测”的全流程协同能力。

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高质量粉末是金属增材制造的第一道门槛。以常用的 Ti-6Al-4V 钛合金 为例，不同制粉方式（气雾化、等离子雾化等）会在以下方面产生显著差异：

● 球形度与粒径分布：影响铺粉质量与成形稳定性

● 氧含量与杂质：决定材料的疲劳性能

● 粉末流动性与吸光特性：直接影响熔池形成

在工程实践中，粉末的批次稳定性、循环使用后的衰减管理、筛分回收策略等，也都会显著影响整体制造成本与最终性能。因此，粉末不仅关乎性能，也关乎可持续的生产能力。

1、PBF（粉末床熔融）技术：适合高精度与复杂结构

工作原理：PBF是将粉末材料均匀铺在成形平台上，然后用激光束或电子束作为热源，按照软件规划的路径照射并熔化粉末，熔化的粉末在冷却过程中固化，逐层进行铺粉，熔化，固化的过程直到整个零件完成。

这里需要指出的是，在激光粉末床熔融成型的过程中，粉末床往往需要置于惰性气体（如氩气）中，对于金属材料来说，这可以防止其在高温环境下发生氧化；而在电子束粉末床熔融成型中，则需要高度真空的环境，如果存在气体分子，电子束会与气体分子发生碰撞，造成能量的损失和方向的改变。

PBF通过“逐层铺粉，逐层激光熔融”的方式实现高精度制造，其优势包括：

● 高尺寸精度

● 复杂结构易实现

● 表面质量好

因此广泛应用于：

● 航空发动机小型叶片与精密结构件

● 医疗植入物航天复杂轻量化部件

但PBF系统高度依赖稳定的气氛控制、激光性能、平台温度控制等，一旦失稳，打印质量将受到直接影响。

中型激光粉末床熔融(L-PBF)金属3D打印机，来源：弗瑞森光电科技

2、DED（定向能量沉积）：面向大尺寸与修复场景

工作原理：它通过喷粉或送丝的方式使材料进入激光束、电子束等热源的作用范围。当热源离开后，熔融的材料快速冷却和凝固，与之前的沉积层形成一个整体。这样的沉积过程逐层反复，最后完成构件的打印。事实上，该技术成形出毛坯，然后通过CNC数控加工达到需要的精度。

DED更接近“定向送粉/送丝的精准焊接”，具有以下特点：

● 打印速度快

● 可制造大型结构件

● 适合集成修复与增材制造一体化工艺

广泛用于：

● 高温部件修复

● 航空航天大型结构件制造

● 能源装备修复与再制造

但其成形精度不及PBF，一般需要后续机加工。

金属在打印过程中经历高速加热与快速冷却，必然形成较大的温度梯度与残余应力。

常见问题：

● 翘曲、变形

● 开裂

● 分层断裂

因此，完整工艺链中必须包括：

● 打印平台预热

● 合理的扫描策略

● 热处理（Stress Relief）

● 热等静压（HIP）提升致密性与力学性能

对于进入航空与严苛应用环境的部件，HIP几乎是必选项。

热等静压成型，图源：Kintek Solution

金属增材制造并非简单“按按钮打印”，其性能高度依赖数百个工艺变量：

● 激光功率

● 扫描速度

● Hatch spacing

● 层厚

● 扫描路径策略

● 冷却模式

成熟的研究机构与工业团队会通过：

● 自建工艺数据库

● 材料-结构-参数耦合模型

● 路径优化算法

● 闭环熔池控制系统（实时监测与调参）

来确保打印过程的稳定性与可重复性。

金属3D打印由于逐层成形、不可见的内部结构，使得 过程可视化与质量追踪极为重要。

典型监控手段包括：

● 粉床图像监控

● 熔池温度红外监测

● 智能算法识别异常层

● 打印后 CT 扫描与CAD比对

● 金相分析与力学测试

对航天、能源等高可靠性领域而言，“过程数据”与“成形记录”是进入质量体系的基本要求。

资料来源：高精度金属 3D 打印的技术本质与关键壁垒、维科号https://mp.ofweek.com/3dprint/a856714728317

 

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