采用金属桌面3D打印机开发新应用

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近几年，桌面金属3D打印技术的发展有些奇怪，凶猛的时候如惊涛骇浪，被圈内圈外的人广泛关注；但大多数时候，却又如一颗小石子扔进了湖水，只是溅起一点水花。时至今日，基于该技术的创业公司仍非常少，预想中的爆发似乎并未到来。

基于桌面的金属3D打印技术，最为知名的公司当属Desktop Metal，其推出的DM STUDIO系统第一批产品就卖给了谷歌，后续还应用到教育、消费品、汽车、能源以及重工业等行业。然而对于这些公司采用桌面金属3D打印技术开发了哪些应用，与SLM技术对比有哪些优势和不足，一直以来鲜有报道，本期3D打印技术参考对这些问题进行揭示。

Desktop MetalSTUDIO金属桌面3D打印系统

像大多数3D打印技术一样，桌面金属3D打印技术既可以用来做原型验证，也可以用来制造最终用途部件，这在实际生产中均有涉及。石油和天然气燃烧领域的产品专家John Zink Hamworthy Combustion近些年来将多种金属3D打印技术引入生产线，在产品正式生产前，所有设计都必须制作原型并进行测试，该阶段又必须用到金属打印。即便该公司拥有多种类型的金属打印机，但金属桌面打印机的运行成本比SLM打印机更低。自2019年安装Studio系统以来，该公司已经开发了很多增值应用。虽然这些原型中的大多数将继续通过铸造或机械加工来生产，但也不乏一些具有特殊结构的零件只能通过金属打印来制造。

Desktop MetalSTUDIO打印完等待脱脂和烧结的零件

该公司新近开发的燃油雾化器就是这样一款只能通过金属打印来制造的产品。最初的燃油雾化器是一个很小但相当简单的钢制部件，燃料和蒸汽在内部腔室混合，并通过圆形钻孔通道排出。这样的部件可以用调节比来描述燃烧效率，调节比越高表示燃烧效率更高。在最初的设计中，当船舶在港口或缓慢行驶时，机加工的雾化器在低负荷时的调节比为15:1。现有的燃油雾化器性能低于johnzink公司的预期，这促使他们通过改进设计来提高效率，而实现这些设计改进和效率提高意味着从机械加工转向另一种制造技术：金属3D打印。

为了提高雾化器的燃油效率，johnzink的团队首先提出了三种不同的设计方案，这些方案使用Desktop Metal的桌面金属打印机制作原型，并在现场进行测试，最成功的原型将被进一步优化改进。研究小组最终将雾化器与其底座合并，以消除接头处泄漏的危险，并借助计算流体动力学（CFD）模拟进行设计，以精细化通道。最终重新设计的雾化器采用了空气箔状的翅片，减少了零件材料使用量，而如果没有3D打印，这种几何形状将无法制造。

雾化器原有设计（左）与新设计（右）

燃料雾化器最终通过SLM技术生产，但结合金属FDM技术，John Zink更快地完成了最终设计，同时节省了开发时间和成本。使用SLM技术生产燃料雾化器需要8天，成本为1200美元；相比之下，金属FDM技术可以在5天内完成生产，成本仅为300美元。但是由于SLM技术可以一次性生产更大批量，因此使用该技术用于最终生产。

桌面金属打印与SLM技术对比分析

当然，基于3D打印技术的新设计主要目的在于提高燃油效率。实际上，采用3D打印制造的燃油雾化器的调节比为25：1，与原始机加工零件相比，燃油效率提高了67％；新设计还将每小时油耗从120公斤降低到38公斤。该公司估计，新的燃油雾化器每年可为每艘油轮节省90000美元至160000美元的燃料成本。

John Zink还发现了许多其他有价值的金属FDM技术的应用，如1967年就在生产的加力燃烧室组件和为美国海军3D打印的安全切断装置。金属FDM技术使公司能够以低成本有效地生产这些替换零件，同时避免了铸造或其他加工费用导致的生产延误。

美海军安全切断装置和手柄

除了为客户创造更加优质的产品，John Zink还作为科赫工业集团（Koch Industries）增材制造技术的领导者，来帮助向整个组织内部宣传和解释这项技术。更多像燃油雾化器这样的产品论证了3D打印技术的优势和创造更加优质产品的可能性，让其他组织部门思考该如何使用它。

分割线

福特公司也采用金属FDM技术进行原型制造

除进行原型制造外，桌面金属3D打印技术也被用来制造最终用途部件，如定制工具、夹具等。阿尔法精密集团（APG）以及联华电子公司（umc）也都采用该技术来生产冲压夹具、螺纹检验夹具以及装配工具等。由17-4不锈钢打印的零件拥有精确的细节和光滑的表面质量，不仅能够在极短时间内完成生产，还大大节省了成本，并减少了生产车间的停工时间。

APG采用桌面金属戴眼镜生产的装配线螺丝刀工具

除在汽车、能源以及其他工业领域的应用外，DM公司的桌面金属打印技术在教育和消费品领域也有覆盖。缅因大学借其办公室友好型的特点和价格优势推动3D打印技术的普及；奢侈品时尚品牌Jade Group则用其进行功能原型和各种工具的制造。

总之，以Desktop Metal为代表的桌面金属打印技术已经拓展至多个行业，无论是功能原型也好，最终用途部件也罢，相对于传统的激光增材制造和机加工，桌面金属打印确实具有更友好的工作环境以及低廉的设备成本。随着材料越来越丰富，相信国内同类技术的公司也可以开发更多的应用。