近几篇文章为一个系列，为笔者推荐基于烧结工艺的粘结剂喷射和FDM金属3D打印技术，毛坯的制作过程与基于激光的粉末床成型技术一样，采用层层叠加原理制造；对于毛坯的处理则与注射成型一样，都需要在烧结之前对毛坯进行脱脂（粘结剂）。相对粘结剂喷射系统而言，金属FDM系统的价格要低得多。脱脂设备和和烧结系统的成本基本上取决于所选择的工艺。下图是基于烧结工艺的金属3D打印所需的基础设备和支出示例。成本改变游戏规则与传统大批量制造技术相比，SLM的打印速度往往较慢而且设备和材料成本都较高。因此对于零件制造来说，技术可行但并不意味着商业可行。基于烧结工艺的金属3D打印技术弥补了SLM的低效率、高成本缺憾，为金属3D打印提供了另一条实用道路。材料适用于SLM的进口不锈钢粉末在300-600元/kg，国产粉末一般在200-400元/kg。与SLM类似，目前粘结剂喷射技术也是使用球形粉末，然而粉末规格要求要低得多，这直接导致材料成本大大降低，国外当前3DP所使用的金属粉末仍然类似SLM粉末，价格较贵，国内易制使用MIM粉末，316L不锈钢的价格不到50元/kg。对于金属FDM，原料采用MIM金属粉末和粘结剂制成丝材或棒材，材料成本显著提高，BASF Ultrafuse 316LX丝材的价格达到1600元/kg，其他替代产品的价格也达到了800元/kg。生产效率分析表明，SLM的生产效率主要取决于平行工作的激光器数量。对于金属FDM，层厚度是增加每次构建体积的关键因素，通过增加分层厚度，生产率可以提高，但也会导致分辨率和表面质量的降低。粘结剂喷射成型的生产效率由总作业时间和堆积密度计算（堆积密度是指一次成型的零件总体积与工作缸内粉体体积之比，反映了完成构建的所有零件的体积总和），对于具有不同部件的混合构建工作，堆积密度通常为10%，对于大批量可优化堆叠部件，堆积密度为30％。打印时间往往在20-40小时之间。考虑到未来几年内该技术将得到进一步突破，总构建时间将减少到10小时。总结两种工艺的成本涉及方方面面，单从打印机成本来讲，FDM类型的价格可选择范围小，价格相对其他两者来说要低；相近价格区间的SLM和3DP工艺打印机，后者的成型尺寸要更大，但其附属设备的价格也不能忽视；材料成本方面，3DP的材料成本无疑最低，FDM的金属丝材可选择性较少，价格也比较昂贵。至于打印效率，还是需要看具体的应用领域，FDM金属打印机适合办公场合，SLM适于高精度、高性能制造，而3DP则适于大规模、低成本制造。下期预告：基于烧结和熔化工艺的金属3D打印材料种类及性能分析近几篇文章为一个系列，为笔者推荐，希望能引起大家兴趣，能够为笔者转发提高一下阅读量。您的转发是对笔者最大的支持长按添加订阅Share the World's 3D Printing Technology推荐阅读：金属增材制造技术系统梳理基于烧结工艺的金属增材制造工作原理金属打印成本结构分析（上）金属打印成本结构分析（下） 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：基于烧结和熔化工艺的金属3D打印成本结构对比

传统烧结工艺依托现代制造环境产生，是当今重要的制造手段，在工业应用中有着比增材制造更长的历史。早在20世纪20年代早期，人们就使用陶瓷粉末和聚合物粘合剂开创了第一种陶瓷注射成型工艺。20世纪50年代，金属粉末开始被用于注射成型。然而，与铸造技术相比，采用注射成型（MIM）的烧结工艺成本更高、过程更加复杂。到1970年，人们的经验不断增长，随即发现，MIM技术虽比铸造昂贵，但在高复杂性零件制造方面极为有效。新型粘结剂和脱脂技术的升级使工艺更加稳定，金属部件的密度更高，表现出更佳的材料特性。MIM技术制造的零件尺寸通常在5-50毫米之间，在医疗器械、珠宝、国防工业以及电子领域的复杂组件制造方面发挥重要作用。如今，全球金属注射成型市场价值超过160亿人民币，复合年增长率在10％至20％之间。MIM技术成型原理MIM工艺分为三个步骤：模压成型、脱脂和烧结。基于烧结工艺的金属3D打印技术需要用到MIM技术的第二和第三步，毛坯件的成型采用了增材制造原理，具体的成型方法也有细微差别，比较有名的有Exone、Desktop Metal以及HP。金属粘结剂喷射成型原理粘结剂喷射技术（3DP）最早由麻省理工学院开发，最初设计用于铸造砂成型，从那时起，Exon即开发了第一种金属粘结剂喷射成型系统。近年，Digital Metal、Desktop Metal以及HP相继推出类似系统，但技术原理均来自于麻省理工学院的原始专利，该专利涉及如何在零件局部范围内采用粘结剂成型陶瓷、砂及金属粉末。与这种方法不同的是，3DEO将粘结剂喷射在整个粉床上，每层通过CNC加工来实现更精确的几何轮廓。金属FDM成型原理FDM类型的金属打印机采用金属线材、MIM粉末以及棒材作为成型材料。这种成型材料采用金属粉末和粘合剂混合而成，虽然机器原理与高分子材料FDM系统非常相似，但关键的区别在于打印头，挤出喷嘴具有施加金属材料的特定属性。 当前，Markforged、Desktop Metal、EVO-Tech以及AIM 3D，可以提供金属FDM打印系统。基于烧结工艺的金属3D打印产业链分布上述每个公司的商业模式各不相同，涉及到了垂直价值链的不同方面。 Markforged和Desktop Metal提供专有的材料和脱脂/烧结解决方案以及3D打印系统；EVO-Tech、AIM 3D、ExOne以及Digital Metal使用市场上现有供应商（如巴斯夫）提供的原料。此外，烧结设备均使用当前常见的烧结工艺设备。下期预告：基于烧结和熔化工艺的金属3D打印成本结构对比欢迎转发长按添加订阅Share the World's 3D Printing Technology延伸阅读：金属增材制造技术系统梳理Desktop Metal金属机---DM productionDesktop Metal 打印材料及产品总结Desktop Metal金属桌面打印机---DM STUDIO解析被状告的Markforged打印机是如何工作的 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：基于烧结工艺的金属增材制造工作原理

对于工业级金属3D打印，激光粉末床熔化技术是目前最主要的增材制造技术。然而，随着粘结剂喷射技术越来越成熟，这种优势可能即将改变。增材制造已有30多年的历史，最初主要用于原型制造，在过去的5年中，该技术在工业领域获得了巨大成功。截至目前，至少有11种主要的金属增材制造技术正在竞争工业领域的应用，而每种技术在零件设计、机械性能和成本方面都有其独特的优点和局限性。技术的多样性也为给定的应用选择技术类型带来了困难，下图展示了在考虑ISO/ASTM 52900标准的同时对不同金属增材制造技术进行分类的结果。当前金属3D打印技术主要分为熔化工艺和烧结工艺两种。烧结工艺首先采用粘结剂粘接形成坯件，再进行烧结成型；熔化工艺则是直接采用粉末或线材直接熔化成型零件。熔化技术的分类通过区分材料沉积方法（直接或粉末床）和能量源来实现。基于烧结的工艺都需要烧结步骤，因此热量作为共同的能量来源，它们也可以按材料沉积方法分类，并进一步区分喷射材料的类型。增材制造系统提供商地理分布激光粉末床熔融技术的早期发展主要由德国大学和几家先驱公司推动，经过十多年的持续改进，目前（国外）已经实现成熟的工业应用。相比之下，以烧结为基础的增材制造技术目前受到美国大公司和初创公司的大力推动，这些公司的资金主要来自于航空航天、汽车、医疗等一些对增材制造充满期待的领域。除Evo-Tech和AIM3D外，涉及烧结技术的欧洲企业还不多，在中国也只有武汉易制和中科院苏州喷墨打印平台等为数不多的成长型企业从事该技术。Exone喷墨烧结成型的叶轮当前关于熔化工艺和烧结工艺有很多争论，在接下来的几期中，3D打印技术参考将结合国外研究机构的调研对烧结工艺与SLM、MIM进行对比，通过来自九个不同供应商的测试样本进行性能分析，同时展示不同工艺在汽车零件中的测试结果。更多数据会在后期公布。欢迎转发扫码资料抢先看Share the World's 3D Printing Technology延伸阅读：喷墨技术于金属打印的意义金属打印成本结构分析（上）金属打印成本结构分析（下）金属3D打印真相：优势、劣势及趋势正面PK：HP Metal Jet和SLM谁更快，更具性价比金属材料选择性激光熔化过程中的冶金问题和质量控制 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：金属增材制造技术系统梳理

光固化技术是最早应用成功的3D打印技术，经过近30年的发展，光固化树脂材料越来越丰富、性能越来越好，设备成型尺寸及稳定行都得到质的提升，然而近些年来的发展似乎变得缓慢，尤其是在工艺和应用方面。随着SLS技术的快速发展，传统光固化的应用市场受到了不同程度的挑战。如今光固化也不再单单是指SLA技术，尤其衍生出来的DLP、polyjet、LCD技术在各自细分领域各有用途。然而无一例外的，光固化技术在进行零件打印时都需要支撑，都需要与构建板相连，这在我们看来已经是很正常的事情。可是光固化能不能像SLS那样，既不加支撑，零件还可以相互堆叠着摆放呢？这样后处理就会很方便，一次成型的零件会更多，连前期零件处理都可以省了。Fraunhofer总是能给我们意想不到的惊喜。Fraunhofer开发无支撑光固化方法2017年11月，Fraunhofer爆出正在开发无支撑光固化方法，当时引起的影响不算大，但近日，基于该工艺的原型机已经推出。这种无需支撑的新型光固化工艺被称为TwoCure，目前来看，是基于DLP的成型方法。TwoCure原型机TwoCure是一种将液态树脂逐层打印到预先固化的树脂上的过程：投影仪将零件截面图案投射到液体树脂中将其固化，其他区域通过冷却固化，这使得打印的零件被包裹在固化树脂中，因此零件既不需要支撑也无需连接在基板上。光与冷的相互作用来自亚琛的开发人员巧妙的采用了光与冷之间相互作用，通过曝光实现树脂的不可逆化学成型，而温度控制则实现了周围材料的物理 “冻结”，这些凝固的树脂是如蜡一样在室温下可以液化，从而将零件释放。3D打印的零件只需简单清洁和后固化即可。TwoCure原理示意图正是这种混合技术促使研究人员将过程称为“TwoCure”，目前开发的原型机可以提供1升容量，横向分辨率约50μm。从图中看出，该公司突破了对于当前DLP打印高度的限制。该技术对于生产多种单个小塑料组件或小批量多达1,000件的公司具有吸引力。在未来，可以使用这种技术在一台机器上每天生产数百件零件，无论是用于助听器的耳模、珠宝制造的模具，还是小批量的塑料部件。关于多材料的猜想更为具体的技术细节，Fraunhofer并未透露，但通过公布的图片笔者猜测这项技术并不是如文中所述的那样简单。从上图我们可以看出，凝固的树脂是红色，而打印的零件实为银色，难道树脂固化后变了颜色？！这幅图被称作“TwoCure处理室，带分配单元和UV光引擎”，笔者的疑问出在红色树脂包裹着银色零件，而上图的分配单元又说明了什么问题？难道是真正用于零件成型的树脂是另外分配上去的？！这种DLP的成型方式应该采用的是上曝光，因此笔者猜想，是否用于支撑的树脂，仅仅是支撑树脂，用于打印的树脂采用了分配单元。那么这种方法与stratasys的polyjet又有什么优势，后者的支撑材料也是可溶性的。另一个疑惑是，如何保证构建板上方的支撑树脂固化，而构建板下方的不固化呢？理解不了，希望有人留言释疑解惑。欢迎转发长按添加订阅Share the World's 3D Printing Technology延伸阅读：Fraunhofer 开发VCSEL工艺减小金属打印过程中内应力Fraunhofer开发薄壁零件后处理消振结构 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：光固化创新突破：一种无支撑多材料成型方法

弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT）在3D打印技术研究方面具有强大的技术团队和深远的研究历史，该研究所开发的技术解决了当前金属增材制造中的诸多常见问题，创建了大规模3D打印解决方案，并引入了混合3D打印流程。近期，Fraunhofer ILT又推出另一项新技术。粉末床熔化VCSEL上预热工艺激光粉末床熔融（SLM）过程中产生的内应力由温度梯度引起，材料在成型过程中，激光所及之处被加热到高于熔点温度，而部件的其余部分迅速冷却，根据零件的几何形状以及相应的材料属性，这极有可能导致零件开裂（如C919钛合金零部件）。为了防止这种现象发生，现有的技术手段通常从基板下方放置加热元件对基板进行加热，但这并不是完全有效，尤其是对于较高、脆性较大的零件和材料。SLM钛合金开裂作为受德国联邦教育与研究部（BMBF）资助项目—数字光子生产DPP研究计划的一部分，Fraunhofer ILT一直与其合作伙伴Philips Photonics合作开发更好的解决方案。在一个名为DPP Nano的项目中，他们开发了一种上加热工艺。飞利浦Photonics VCSEL加热组件上加热工艺，是在成型室内安装了一组包括六个垂直腔面发射激光器在内的激光阵列（VCSEL），该组激光器的功率为400W，采用808nm的红外波长。加热组件可以在构建过程中将零件表面加热到几百摄氏度，计算机可以对加热组件进行单独控制产生不同图案，以便控制加热区域，整个过程可以通过红外摄像机监控。使用VCSEL进行局部预热曝光Fraunhofer ILT 工程师使用Inconel 718进行了实验，VCSEL组件将材料加热至500°C，最终零件变形和失真明显减少。上加热工艺降低了打印过程中的温度梯度，从而减小了内应力，因此可以构建更高的零件。Fraunhofer ILT将很快用更具挑战性的材料测试该工艺，如钛铝合金，届时材料将被加热到900ºC，由这类材料制成的部件通常用于制作涡轮增压器的高温组件。SLM中使用VCSEL预热的右侧零件变形明显小于未进行曝光预热的左侧零件VCSEL工艺为涡轮机械以外的应用开辟了可能性，特别是在必须降低热致应力的工业领域。Fraunhofer ILT是激光技术领域最杰出的机构之一。它提供可行性研究、工艺认证和激光集成技术，其研究包括开发新激光束源和组件开发，精密激光计量、测试以及工业激光工艺。关于VCSEL预热工艺的更详细介绍，Fraunhofer会在今年11月的法兰克福展览上予以披露。欢迎转发长按添加订阅Share the World's 3D Printing Technology 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：Fraunhofer 开发VCSEL工艺减小金属打印过程中内应力

铜材料的3D打印已经不是什么新鲜事，国内不少设备商号称已经可以采用光纤激光开发出纯铜打印工艺。是不是真的纯铜我们不得而知，但，铜的纯度越高，导电、导热性就越好，打印也越困难，设备的损伤风险也随之升高。截至目前，采用上述工艺进行纯铜打印并实现应用的报道非常鲜见，针对具体应用的3D打印用铜材料同样鲜见。作为一种高导电材料，纯铜常被用于制作电磁感应加热线圈，加热快、效率高，可进行金属热加工、热处理、焊接和熔化。本期主要内容围绕高导电铜感应线圈的SLM工艺展开。电感线圈的传统制作特点与3D打印制作优势传统的感应线圈采用铜丝绕圈方法完成，此种工艺由于受到产品结构的限制，无法制作出复杂的立体3D结构；同时，线圈缠绕法无法制作细微线路和异形线路，限制了行业发展。此外，每种感应线圈必须经过特殊设计，制作周期长达几周甚至几个月。3D打印的铜复杂感应线圈而3D打印的制作优势相信读者已经明了，如果用来打印感应线圈，那将不再需要使用传统的制作设备和工具，而且可以制作近乎任意的形状和结构，制作周期也将缩短为几天，优势明显。那是否可以直接采用目前的SLM工艺打印纯铜感应线圈呢？答案是否定的。SLM工艺下的材料弊端铜材料对激光具有较高的反射率，铜纯度越高，反射性越强，吸收率越低，采用SLM工艺进行打印就越困难。当前公开的铜材料3D打印工艺多是铜合金，铜的含量不一，含量越少则导电性越差。既能满足高导电性又能够稳定进行SLM成型的铜合金未能得到重视。激光反射示意一种高导电3D打印铜合金材料菲尼克斯电气集团旗下的Protiq GmbH经过两年的研究实验，开发出一种使用价值很高的高导电铜合金（CuNi2SiCr），这种高导电铜合金类似于铬锆铜(copper C18150，由Stratasys推出)，可利用SLM技术进行打印，并且该材料成型后的密度为8.82g/cm³，电导率达50ms/m，都与纯铜接近，且含铜量高达97.6%。Protiq通过SLM成型的铜感应线圈Protiq SLM用铜合金与纯铜性能参数对比纯铜高导电铜密度8.9g/cm³8.82g/cm³弹性模量/70±10 GPa抗拉强度/219±10MPa电导率≥57ms/m50ms/m铜含量99.9%97.6%模拟电磁过程3D打印允许更大的设计自由度，不必考虑最小弯曲半径或给定的横截面。通过这种方式，可以开发出具有优化磁场引导和改进工艺特性的新型创新电感器（感应线圈）几何结构。通过使用计算机辅助数值模拟，可以进行电感器在迭代过程中感应加热的电磁过程模拟，并且可以基于结果调整电感器几何形状，这避免了采用繁琐且昂贵的加热实验来确定几何特征的过程。Protiq开发的电感器在操作中可进行更快和更精确的加热，大量节省时间，提高效率。在线平台订购处理传统的订购流程繁琐且缓慢，Protiq为其客户提供了端到端的数字在线平台。客户在平台上传三维模型，便可以得到有关生产成本和交付时间的信息，在几分钟内，可以提供正式报价并完成订购。除了上传数据外，Protiq还在网站上提供单独的线圈配置，例如线圈的基本形状、匝数、线圈直径和间距等，并可以通过滑块调整进行3D预览，根据配置的不同，价格信息随之改变。拓展阅读：采用EBM打印的纯铜感应线圈EBM技术是金属打印的重要工艺，而且金属材料对电子束几乎没有反射，这为纯铜材料的3D打印创造了条件。2017年，总部位于西班牙的全球性感应加热公司GH Induction与拥有增材制造技术的西班牙公司Aidimme合作，利用EBM技术成功打印出了纯铜线圈，铜纯度达99.99％，寿命是之前线圈的2-3倍。GH Induction打印的线圈最大尺寸为200 x 200 x 100 mm，通过一次成型，减少了其他工序，使成本降低。EBM打印的纯铜感应线圈EBM虽能轻松打印纯铜材料，但该工艺却在表面质量方面表现不佳，这为铜感应线圈的后处理带来不便。科研人员针对高反射材料的SLM成型工艺攻克从未停止。延伸阅读：纯铜材料的SLM成型难题纯铜比铜合金更具导电性和导热性，对于终端用户更具吸引力，但纯铜对常规SLM设备所用的激光反射率较高，只有一小部分能量能沉积在材料中用于熔化（只有2%-3%），反射的激光会对设备元器件造成损伤。此外，随着材料从固态转变为液态，材料对红外光的吸收率迅速上升，从而引发不稳定和间歇性的重熔过程。材料对不同波段激光吸收率目前国内对纯铜材料打印工艺的攻克主要集中在提高打印能量，以及通过改造设备内部结构来防止激光反射造成元器件损伤上面。但这样忽视吸收率单纯提高功率的方法并不足够科学。 弗劳恩霍夫激光技术研究所基于纯铜的吸收率提出采用波长为515nm的绿色激光进行成型，这意味着较小的激光能量便可实现稳定成型。激光源的改变同时可以获得更好的光束质量，从而为获得均匀熔池提供条件，这也是制造精细部件的保证。然而，目前的主要问题是绿激光往往能量较低，如激光内雕所用的535nm波段，功率只有几瓦。Fraunhofer ILT未来目标是创造一种可靠的用于单模操作的高质量激光器，稳定输出最大功率达400w的515 nm波段激光。此外，绿色激光不仅可以用来制作纯铜材质的感应线圈、热交换器或精密复杂的电气元件，在珠宝设计领域，绿色激光也可以进行银等贵金属的打印，提供比传统SLM设备更高效更稳定的打印工艺。笔者认为，也许未来， SLM设备会具有不同的光源类型。欢迎转发添加QQ群获取更多资料延伸阅读：重点解析：铜材料的直接打印问题国内金属铜合金3D打印案例 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：高导电铜的3D打印工艺及应用

惠普在3D打印领域可谓来势汹汹，去年发布了尼龙机还不算完，近期又推出了金属粘结剂喷射成型系统，整个行业在感到错愕的同时，Metal Jet的推出又在意料之中，惠普势要搅动整个3D打印市场的神经。 就惠普所推出的技术形式来说，最为红眼的估计不是3D Systems，也不是Stratasys，而是主流技术市场被侵占的EOS，以及其他从事粉末床成型技术的设备商们。在惠普推出金属打印机的同时，传统老牌金属打印机厂商EOS几乎同期发布了新款的M300-4，但引起的关注度却很小。至于两家竞争意味浓烈与否我们不去深究，但惠普公然宣称Metal Jet将生产率提高了50倍，成本还远低于其他金属粘结剂喷射技术，这就有点过分了。下面笔者以目前公开的资料对比HP Metal Jet和EOS M300-4。成型方式惠普Metal Jet的本质，和去年Desktop发布的DM production一样，都是先采用粘结剂喷射成型，再进炉烧结。HP黏结剂是一种水基聚合物液体剂，通过热喷墨打印头喷射，粘结剂在粉末床上通过毛细作用力浸入粉末间隙，实现均匀分布，在高温辐照下将金属颗粒结合在一起，同时溶剂部分挥发。打印完成之后，零件要进炉烧结，粘结剂在此过程中分解，据惠普公开的资料显示，零件的致密度为93%。至于EOS M300-4，是基于激光成型，此处不再赘述。成型效率EOS M300-4成型尺寸为300 x 300 x 400 mm，具备四激光系统，与单激光或双激光系统相比，M300-4绝对可以提高生产效率。根据资料披露，该系列打印机速度相比M290提升了4-10倍，零件成本降低近50%。 与激光逐点扫描相比，面成型自然要快很多。惠普金属机成型尺寸为430 x 320 x 200 mm，配备两排打印头，每排有三个108mm的打印头，交错排列，产生320mm宽的打印带。两排打印头四倍冗余喷嘴有5280*2个孔，可有效抑制缺陷产生（更详细资料可进QQ群自行下载）HP热喷墨打印头已在多种打印机上得到应用，每秒钟可将6.3亿毫微克大小的粘结剂滴到粉末床上，精确确定零件横截面。而且该技术是双向铺粉，粉层厚度也比SLM要高出很多，从而又进一步提高了生产率。但如果仅仅是因双向铺粉和面成型，就声称生产效率提高了50倍就有些牵强。毕竟SLM的慢，慢在逐点扫描和漫长的铺粉过程，而喷射技术的慢在于后面的烧结过程。但纵观整个制造工艺，SLM的零件还得需要退火，也是很花时间。同时，若将惠普和desktop的喷射打印机一起比较，两者的效率差别还是要体现在打印头上面。相较来说，惠普的喷射技术具有更高的制造效率是毋庸置疑的，至于快出多少，50倍听听也就罢了。材料若论材料，喷射技术所采用的粉末只需要注射成型的规格即可，不需要很宽的粒度分布（0.5～20μm)，近球形即可，这也就造成惠普用金属粉末的成本比SLM用粉要低。具体原因分析请查看Desktop Metal 打印材料及产品总结。零件性能、精度以及表面质量基于激光的SLM打印工艺，零件具备极好的打印精度和表面质量，性能方面的研究也已经持续了二三十年，具有较好的应用基础。而喷射技术作为新兴工艺，当前还鲜有研究作为支撑，直接用于生产的案例也很少。两种工艺晶粒结构：左图Metal Jet，右图SLM可以知道的是喷射技术成型的零件在后烧结过程中会产生严重的收缩，这对于零件精度控制是一大难点；而且零件的致密度可能不及SLM；相对SLM打印的一项优势是喷射打印的零件经后烧结后具有较好的各向同性，而前者的性能则对成型方向具有依赖性。大众汽车采用HP Metal Jet 打印的换档杆无论哪种成型方式，成型的零件都需要经过机加工和抛光，才能满足尺寸和表面光洁度的要求。设备价格基于激光的SLM系统的设备价格较为昂贵，以EOS M300-4为例，根据配置不同，价格从81万美元到186万美元不等，而惠普金属机的价格还不到40万美元。但是，千万不要以为惠普品牌就更便宜，因为后面的烧结炉也是一笔不小的数目（据国内易制资料，烧结炉的价格比其打印机的价格还要高）。总结粉末粘结成型工艺自去年开始备受关注，它所带来的不仅仅是制造效率的提高和生产成本的下降，更是一种新制造方式的产生。然而对于哪种工艺更具有性价比，更适合自己，还得看具体的应用领域。不用盲目迷信惠普，适合自己的才是最好的。更多喷射技术对SLM的制造优势，可查询《技术竞争：喷射技术比你想象的更加重要》结论部分。欢迎转发长按添加订阅Share the World's 3D Printing Technology延伸阅读：技术竞争：喷射技术比你想象的更加重要Desktop Metal金属机---DM productionDesktop Metal 打印材料及产品总结 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：正面PK：HP Metal Jet和SLM谁更快，更具性价比

「 点 击 下 方 图 片 即 可 查 看 」欢迎转发更多资料获取Share the World's 3D Printing Technology点赞！ 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：先进3D打印工艺汇编

在去年德国法兰克福TCT展会上，Materialise宣布将引入Simufact的粉末床熔化工艺仿真功能，该功能将作为Magics的一个插件，帮助用户在熟悉的数据环境中更好地控制预构建过程。该功能目前已完成内测，将于本月正式发布。当前，仿真正在受到越来越多的重视和关注，无论是软件开发商还是直接应用部门，对于增材制造仿真功能正显得极为迫切。SOLIDWORKS Simulation 2018新增加了拓扑优化和应力检测功能，Netfabb 2019推出了基于云的仿真，EOS增强与模拟软件供应商Amphyon的合作，而GE Additive则直接收购了GeonX。除此之外，让人印象深刻的还有仿真大户ANSYS收购3D SIM推出了金属打印工艺仿真功能。 Simufact粉末床熔化工艺仿真功能相比专门的仿真软件，Materialise有着先天的优势，毕竟众多3D打印的从业者最熟悉的软件还是Magics。Magics完善打印前模型预构建功能从上图可以看出，Materialise是进一步完善了Magics的功能，从最初的模型处理、支撑生成，到后来的e-stage高效支撑处理模块，仿真功能的加入可以说是对Magics功能的极大完善。用户可以在数据处理和支撑添加完成之后直接进行工艺过程的预览，利用Simufact的热力学计算方法呈现打印过程中的热量情况，还能直观看到打印件的变形和支撑以及工艺调整对打印件的影响。Magics在线仿真功能增材制造的零件与铸造和锻造的金属具有不同的结构和性能，这些不同包括密度、残余应力、力学强度以及非平衡的组织结构等。激光熔化金属粉末成型零件，难以避免会在内部留下孔隙，而残余应力的产生则会直接引起零件变形。打印过程中通常会采用加热基板、添加支撑、修改激光参数和扫描方式的方法来减少影响，但这仍是一个试错的过程。此时仿真模拟的功能可谓有效，而Magics增加了这种便利。下面以集成前的原Simufact软件举个简单例子（来自louis.lu）：在mimics及geomagic软件中，对CT扫描得到的胫骨进行建模和修复建模完成后，在hypermesh等网格划分前处理软件中，对其进行网格划分。由于该构件是由增材制造来进行分层制造，所以网格划分也需要遵循一定的层次规律。网格划分完成后，将其导入Simufact中，进行分层设置，建立起扫描轨迹线，并一一对应。将计算得到的结果与计算之前的结果进行对比，得到其增材制造后的冷却阶段模型的总体变形。从结果可以看出，无论是纵向变形，还是横向变形，变形量都非常明显。这也就是增材制造仿真的意义所在。完整动画演示质量控制是目前满足客户苛刻要求的最重要挑战之一，Magics能够在生产前预测错误、适时调整工艺，可大大减少开发阶段构建的原型数量，同时提高产品质量和寿命。这将直接最大限度地缩短上市时间和开发成本。实施模拟仿真，不仅仅是科学研究问题，更是工艺问题。欢迎转发更多资料获取延伸阅读：增材制造实时监控与工艺过程仿真基于增材制造的模拟仿真到底接不接地气？金属粉末与激光作用过程为什么要仿真赞！ 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：Materialise将于本月推出Magics在线仿真功能

如果有研究生想出国留学攻读增材制造方向的博士，笔者一定会推荐德国弗劳恩霍夫研究所和亚琛工业大学，这两个机构是激光制造的摇篮，担负着未来的先进制造工艺，在全球范围内极富盛名。然而本篇笔者要叙述的是另一所研究机构—莫纳什大学增材制造中心。 莫纳什大学是澳大利亚最大的大学，材料学科非常强，在全世界排名第7。说到莫纳什大学就不得不提吴鑫华院士—莫纳什大学增材制造中心主任。吴鑫华院士是澳大利亚技术科学与工程院院士、英国材料协会院士，也是国内长江学者讲座教授，在中国国内更是缔造了飞尔康、三峰以及倍丰激光科技公司，可以说其团队的研发范围涵盖了从材料、设备到工艺过程的几乎所有内容。 在7月底，杭州举办的增材制造大会上，吴鑫华院士做了《航空材料选择性激光熔化中冶金问题和质量控制》的主题演讲，借助该演讲我们可以一窥莫纳什大学增材制造中心在金属打印方面所做的工作，以期对我们带来更多启发。在此感谢南极熊在现场所做的重要工作，才能使我们更多人获得丰富的知识。以下为演讲实录，笔者根据演讲内容做了相应配图，供大家参考。 前面各位讲演专家们提到了，3D打印材料非常重要，我是材料工程师，所以我今天主要讲一讲3D打印中的材料问题，尤其是在航空中的应用问题，因为航空中对材料质量的要求非常严格。今天我用一些例子介绍一下，我们如何控制3D打印中材料指标问题。 我来自莫纳什大学，我们有增材制造中心，我还会介绍一下我们这个中心的特点，以及在航空中的新应用，最后讲一下对于金属材料来讲，尤其是对于航空材料来讲有什么样的发展方向。 莫纳什大学增材制造中心研究范围 莫纳什大学是澳大利亚最大的大学，有8万多名学生，最重要的是它的材料学科，非常强，现在全世界排第7名。增材制造中心成立于2012年，现在大概有40多人，主要是面向于基础研究，但最后的结果是要为工业服务。 在材料研究当中，3D打印只不过是加工工艺的一种，其实跟铸造和锻造或者是焊接一样都有重要的应用方向和价值。所以长期以来在材料结合过程当中，3D打印是我们必须研究的过程。莫纳什增材制造中心已经培养了上百个博士，过去七八年大概有3000万澳元的经费。目前有一个比较大的项目，是澳大利亚的一个国家项目，主要是从基础研究向成果转换，其中赛峰集团跟我们一起研究发动机的材料问题。 中心最重要的是2014年，我们有四个发动机静止构件通过了实验，这在当时的赛峰集团是一个非常重要的成绩，我们因此获得了创新一等奖，这对赛峰来讲也是一个里程碑。为了更好的为工业界服务，也是帮助赛峰批量化生产，2016年我们跟赛峰集团形成了批量化生产的战略合作关系，包括我们为赛峰集团提供所有的技术支持和设备，在院内进行批量化3D打印发动机的构件。 今天我主要讲的是金属粉末床激光熔化工艺。把粉末铺在机器上进行激光扫描，金属粉末的熔化和冷却过程是一个非常快速的过程，这个过程是非平衡状态，非平衡状态导致了材料形成的组织结构是非常细小的，而且材料内部含有大量的残余应力。在莫纳什大学研究过程当中，从前面的粉末开始，首先我们要知道什么样的粉末可以使用，什么样的不可以，粉末循环多少次还可以使用，如何鉴定粉末质量，最后还存在如何降低粉末的成本问题。 第二是进行拓扑优化，优化不仅仅把一个形状优化出来，重要的是在高温高运力情况下，优化的所有产品都要保证所有性能一致，包括拉伸性能，更主要是疲劳的性能，这里面存在非常复杂的优化和认证工作。工艺的优化是什么呢？取决于所有的材料，在跟激光结合的过程中究竟产生了什么样的组织结构，有没有裂纹。这是非常重要的，首先要打印出一个完美的结构，后面才能进行后处理。实际上真正要达到产品的性能，所有的3D打印构件都需要进行热处理，这个热处理是真正材料学的处理，要对材料非常明白，根据这个产品结构的要求，在不同情况下选择不同的组织结构，才能真正进行3D打印最后的热处理。 最后从我们打印的构件来讲，表面光洁度非常差，如何提高表面光洁度，对于它的寿命是有直接影响的。所以这也是一个非常重要的部分。 前面讲演者都没有提到缺陷的检测，我相信一会儿GE专家会讲到缺陷检测问题，缺陷是非常重要的一个方面。缺陷的检测，就是在直接个性化的产品当中如何进行缺陷的检测，这个检测不光是要检测，而且要降低成本的情况下如何去实现，实际上也是一个非常重要的问题。最后是如何通过世行认证，医疗要通过认证，国际航空也要通过认证，国际航空只有一个国际标准，这个标准是应该的，也是非常难做到的。 根据我刚才讲的顺序简单介绍一下我们所做的工作。在优化过程当中，刚才提到了拓扑优化，现在市场上有各种各样的软件，商业的软件有的时候并不具备应用于3D打印的场景，例如一个发动机转子，如果我想把这个做出来减重的话，所有运力应变分析首先要了解它在做什么，零件内部的粉末要导出来就要开一个洞，这个洞开在什么地方对它的寿命会有影响。我们大学与其他单位进行了六七年的合作，开发了一款软件，通过这个软件我们设计了发动机的转子，今年3月通过了发动机的实验，它的标准是7万转，我们通过了84000转的转动。这是3D打印第一次通过发动机实验，也是3D打印究竟能不能用于转动构件的重要里程碑，也是我们上限的标准。这点我们已经证明了，确实可以做到。 拓补优化设计：自主编写软件，突破现有设计瓶颈 我刚才提到，在进行工业优化的时候，我们针对每一种材料都需要进行工艺优化，这个优化第一步就是参数优化，包括激光功率、扫描速度、扫描间距这一系列的参数，使整个产品做出来是一致的，这样才能保证大的构件做出来以后是稳定的，更重要的是机器性能是一样的。 这里解释一下，如果打印的参数不好，有的时候就会出现孔洞，你可能会讲我就挑最慢的速度，保证100%致密，但是最慢的速度就影响到生产力的问题，所以这里面就要讲平衡，根据生产的要求选择一个最佳的参数。 材料和工艺研究：每一种材料都需要优化 前面还提到后处理的问题，后处理是非常复杂的，是真正的材料学问题。我们采取热处理的原因目的是什么？是改变它的组织结构，第一是提高性能，第二是根据构件的要求，有的构件要求强度，有的要求疲劳，有的要求高温熔炼，所以从材料来讲，就是根据组织结构不一样满足各个材料构件的性能要求。组织结构不一样，就像花纹不一样，做出来的耐磨性、耐久性就不一样。 再讲一下3D打印中材料常见的问题。镍基合金按照现在的标准去买材料，你买出来的粉末三批出来的结果完全不一样，有的是开裂的，有的不开裂，开裂的时候有的是外裂纹，有的是内裂纹。这意味着以前定的标准用于铸造或者锻造来讲，各个元素对于快速冷却的敏感性不一样，对开裂的敏感性也不一样。只有真正明白了各个元素对它的敏感性以后，重新在现有的标准下再加载一个标准，才真正适合3D打印，它并没有走出现有的标准，只是适合3D打印的成分范围要比铸造范围要窄很多。 对于粉末的问题，大家觉得现在做粉末的非常多，谁都来做粉末，都可以拿来做3D打印，只要装在机器都可以用。实际上完全不是这样，讲一个简单的例子，如果粉末的尺寸大小分布不一样，有的是0—50微米的，有的是10—50微米的，要求的参数就不一样，同一个参数做出来的密度也不一样。所以我们选择粉末的时候，一旦想真正做产品，必须要有一个粉末的规范，不可以随便变。 刚才还提到后处理的问题，很多人说后处理就是把常规的铸造件或者锻造的后处理拿来，直接应用于3D打印，实际上是完全不现实的。为什么呢？首先材料快速冷却之后组织结构是不平衡的状态，而且是非常细小的组织结构。如果我要想恢复到原来的组织结构性能，首先要求的温度时间都不一样。还有一个，我们现在处理的是一个构件，而不光是一个块状的材料，这个构件有的时候有不同的厚度，比如发动机厚度有的2毫米厚，有的30毫米厚，在我们处理材料的时候，处理2毫米的条件和处理30毫米的条件不一样。现在在同一个构件里面，现在处理只能是同一个条件，为了最后各个部位都达到要求的性能我们做了150种实验，才真正能够把工艺条件优化出来，各个位置均满足性能的要求。这里面还有非常复杂的问题，包括残余应力的消除，以及自然时效的问题，每一个热处理做完之后放几分钟、几天、几个月都不一样，你后面再怎么处理？所以所有的问题都必须要全部解决以后，才能真正找到一个优化的后处理工艺。 后处理方案 在3D打印当中，我们发现最难的材料都是高强材料，这里讲一个高强的镍基合金和高强钢，同样的问题是直接3D打印的时候会开裂，尤其是在镍基合金当中，强化项超过46%的材料都会开裂。这个开裂基本上温度可以加到200度是不是就能够解决问题呢？实际上也不能解决问题，这实际上是一个非常复杂的问题，目前在我们中心经过了非常仔细的、复杂的研究，最后我们终于把这个问题解决了，保证这个材料在3D打印当中不开裂，这在世界上还是唯一的。这里面包括了所有材料里面各个元素的影响，包括形状的影响。这个材料是用于发动机叶片的，你可以做出来1毫米厚的时候全都开裂，做10毫米厚的时候全不开裂，所以这里面有形状的影响。当然还有加工工艺条件的影响，所以是一个非常复杂的过程。 为了完成这个任务，除了要考虑我们刚才说的这些问题，实际上更重要的是需要计算机的模拟，这个模拟必须要真实的模拟，这里一定要模拟它的非平衡状态的固化，才能真正把这个问题解决，当然还有一系列材料的参数。所以我们在做计算机模拟的时候，有9个不同的条件都必须考虑进去，最后才能真正把温度场和温度梯度以及残余应力分布计算出来，才能最后找到一个最佳的加工工艺，就是在什么情况下做出来不开裂。当然有了这个基础知识之后，就可以应用到其他的镍基合金中去。 在研究工艺的过程中我们也研究材料，进行新的材料设计，就是哪些材料利用3D打印快速冷却时适合作为3D打印的材料应用。我们研究了两个材料，一个是高强铝合金，这个材料可以使用到250度高温，所有的铝合金目前都是使用于100度以下，有了250度的高温，在发动机前端以前是用钛合金的现在可以用铝合金代替，可以进一步降低重量。一般的铝合金，现在市场上所有的铝合金屈服强度最高是280左右，一般260度左右，这个强度是580，比它高一倍，而且这个材料有非常好的特点，就是它的后处理非常简单，前面所有的都需要三步后处理，这个材料需要一步后处理就可以达到这样好的性能。 世界最大3D打印的A357铝合金构件 我们研究这个材料也是有原因的，当时我们的客户赛峰集团给我们提出来这个要求，他希望有代替发动机前端钛合金的材料，所以给我们提出来这样一个要求，我们就根据250度使用的情况，在这个温度下演讲材料的强化机理是什么，通过这个强化机理配置相应的元素，再来形成这样一种合金。我们也知道，开发一种合金有的时候可能需要几十年，但是我们一旦理解了它的强化机理，整个合金研发只花了12个月时间。所以真正做材料的研究，如果了解了材料的机理，实际上研究新的材料并不难。 我们还研究了一种高强的钛合金，钛合金一般屈服强度850左右，塑性大概10%，这已经有几十年。在这么多年情况下，实际上钛合金的研制是非常缓慢的，就是因为后面再研究什么新的钛合金都已经非常困难了。我们研究的钛合金还有一个特殊的用途，这个钛合金除了3D打印以外更重要的是根据钛合金铆钉研制的，铆钉研制实际上最难，这个材料性能经常是矛盾的，要三个性能同时增加是非常困难的。我们了解了这个材料的机理情况下，改变了所有的材料晶界结构，使得三个性能同时提高，这在学术上来讲也是一个非常大的成功。 下面我简单介绍一下3D打印国际适航上的工作。2012年科技部邀请我回来建立了飞尔康，一直是生产钛合金粉，为了提高钛合金粉的质量我们做了很多细致的工作，这个粉包括3D打印工艺，最后达到了国际航空标准，装到了919飞机上。大概有29个构件，通过3D打印的工艺达到国际航空标准，这在中国可能还是唯一的，在这个过程当中大家也问我，你究竟做什么样的工作能够达到国际航空标准？我们做了10.5吨的材料，做了非常多的实验，最后证明这个材料是可靠的才用到了民用飞机，生产的时候必须是天天一样的，年年一样的，25年都一样的，才真正能够达到民用航空的标准。 3D打印的C919飞机登机舱门零件 上图是C919采用3D打印制作的登机舱门零件分布，主要是钛合金打印的，这个工作完成以后，莫纳什大学也跟商飞签署了战略性合作，我们帮助商飞培养一些3D打印的人才，进一步帮他们做一些研发工作。 3D打印未来发展什么样呢？在所有3D打印客户当中，尤其是航空界，现在最大的问题是打印效率，如何降低成本的问题，这个成本如果要EOS，折旧费占60%，为什么有这么大的成本，不是说EOS机器特别贵，这是次要的，更重要的是机器的效率不适合3D打印批量化生产，这些机器是研究用的机器。研究用的机器，说明里面很多待机时间很长，浪费的时间很长，所以要想降低成本，必须要把这些问题解决。航空客户给我们提出这个问题来，通过最近两年的努力，我们重新研发了一款设备，目前叫AmPro SP，这款设备的效果，能够使3D打印构件成本降低80%。 我们在提供机器的同时，现在设计的是整套的系统，这个系统包括粉末的前处理，包括3D打印和粉末后处理，无论在航空也好、医疗也好，其实真正要达到一致性重复性的批量化生产，首先粉末必须是一致的，后面循环过程当中也不能带进来污染。所以我们现在研发了一整套装置，前面粉末的前处理，保证所有的粉末进到3D打印之前必须是完全一致的，而且所有的装粉的装置有一个二微码，这个二微码使得所有粉末的历史可以在计算机输入，可以永远保持它的历史，可以保持25年。后面我会讲到在粉末循环过程当中如何保证干净。 经过非常复杂的分析和设备的对比，根据我们的机器、我们的工艺，我们可以把生产构件单价成本跟EOS相比降低82%左右。这里面还有航空质量的控制技术问题，粉末从开始到最后是不见空气的。另外在3D打印当中有一些烟的问题，这个烟对我们来说就是氧化物，这个氧化物掉到粉末是污染，对寿命是有影响的。所以如何除烟我们请了专家做了大量设计和模拟，最后选择一个最佳的除烟的装置，来控制除烟的效果，达到舱内是非常干净的。当然还有工艺优化的问题，如何把3D打印参数全部集成到设备里面，使得打印完成就能达到性能要求。 零件打印完之后，尤其是大的构件要处理里面残余的粉末是非常困难的，发动机里面有很多管道，为了处理残留的粉一般来说需要两个工人，一个人提着，另外一个人用高压枪去吹，吹的满天都是粉末，这个不符合要求的。我们研制了两个辅助设备，把这个构件装到这个盒子里面，同时装了气枪，根据材料的要求可以360度旋转，把残留的粉末清除。以前清理这些大构件的时候，要三四天才能把这里面清干净，现在有了这个装置之后10分钟就可以把所有残余粉清理干净。它跟机器上配套，直接装进去就可以使用。所有粉也是在受保护的、安全的情况下进行的回收，后面就可以重复使用。 整个公司除了提供机器设备以外还提供材料，我们也帮助客户建一些生产线，包括3D打印的实验室或者粉末生产线，在医疗产品方面我们也做了医疗产品，这些产品当然跟九院比相差非常远。但是从材料来讲，我们更注重于材料能够满足国际医疗的标准。当然从航空来讲，我们不断努力跟客户合作。 目前3D打印只会向前，不会往后。这不光是一个政治性的原因，而是整个世界已经意识到3D打印的价值。在这个价值当中，我们也意识到3D打印又有自身的局限性，但是它也有非常大的优点，只是在于我们如何去开发适合3D打印的应用市场和领域，因为有的地方可能觉得3D打印不适合，不适合的就不要去强求，但是3D打印有它的特点，它一定会继续往前走，而不会倒退，所以这点是不可分辨的。真正成功的3D打印应用，我们应用到最后的时候都在于性能，这个材料构件没有性能是没有办法应用的，真正的性能都在于基础研究，一定要有基础研究，尤其是有材料研究的支撑，没有这个支撑最后只是一个形状而已。所以一定要做好材料的基础研究，不是等到后来。今天在座的大部分是搞材料的人，实际上这就是我们的本质工作。 以上是吴院士演讲全文内容，高屋建瓴。金属打印是最复杂的增材制造技术，所涉及的内容很专业也很复杂，然而真正与应用结合才能发现问题，才能找到努力的方向，相比而言我们所做的工作相差很大。希望本文能为读者带来更多启发。