摘要：“增材制造的最大挑战是掌握冶金权。打印一些看起来像你想要的样子的东西实际上并不是那么难，但是打印一些可以实现你想要的方式（或性能）的东西——这才是真正的挑战。在金属领域，所有的挑战都在材料工程领域。”

【悉恩悉机床网】想象一下，您可以回到20世纪70年代，并知道计算机是将来每个人都要面对的。除了购买苹果和微软股票外，您将会如何做？如果您碰巧在制造业工作，您可能会推动一场采用计算机数字控制（CNC）的变革。当然，即便您拥有几十年的预见知识，将CNC功能加到一台手动机床上也并非易事。因为，“集成”是一件困难而复杂的任务。

　　现在，回到今天的金属增材制造——另一项随时准备对制造业产生巨大影响的技术，并且来的比你想象的要快。

　　“这项技术进展迅速，已经从航空航天的高度渗透到现在几乎渗透到几乎所有金属部件的制造中。”卡内基梅隆大学机械工程教授兼“下一代制造中心”主任杰克·贝特表示，“打个比方，对于金属增材制造，我们就如同处在上世纪七八十年代的电脑时代。它如同婴儿一般，才刚刚开始。”

　　就像CNC一样，制造商似乎在金属增材制造上面临着以下抉择：要么登上这条船，要么面临被甩在后面的风险。但是，在加入这个如今被炒作的天花乱坠的行列之前，需要先问十个问题。

　　一问：金属增材制造适合您吗？

　　尽管围绕金属增材制造的热情高涨，但它并不是灵丹妙药，处处都好。对于多年来一直通过可靠的传统减材方法生产的零件，不一定值得使用增材制造。

　　那么，怎么知道您的零件是否会受益于金属增材制造呢？

　　首先，回过头看一下，哪些是增材制造应用最多的行业。航空航天和医疗器械可能是使用金属增材制造最有名气的两大行业。如今，GE公司已为其LEAP系列发动机配备了著名的3D打印燃料喷嘴。在过去，这是由多个独立供应商制造的20多个分散零件制成的。但使用直接金属激光烧结（DMLS）的成果只有这一个单独部件，而且比原来重量轻了25%，强度是原来的五倍。

　　在医疗方面，雷尼绍Renishaw已经开发了定制的髋关节植入物，其金属打印晶格结构具有很好的硬度和强度。牙科也日益涉及金属增材制造，特别是牙桥和牙冠。借助3D Systems的直接金属打印（DMP）技术，甚至狗也从金属3D打印制成的医疗植入物中受益。

　　虽然这些行业正处于增材制造的领先地位，但只要应用符合特定标准，金属增材制造就可以在几乎任何行业中得到丰硕应用。

　　贝特这样解释道：我们把它分解成三个因素来看，以利于传统加工采用增材制造。首先，增材制造在单个零件成本上胜出，特别是，如果当前的零件或零件组合被重新设计增添附加部分，像这样的整合零件通过增材技术可以节省大量成本。小批量生产对于增材制造也是划算的。

　　其次，增材制造在投入市场的时间上胜出。在某些行业中，市场先入往往比成本更重要——先到先赢。

　　第三，如果可以通过部分重新设计提高部件的性能，则增材制造就可以胜出。通常情况下，这三种因素组合在一起使增材制造成为一个零件制造方法的最佳选择。航空航天和医疗器械行业是这三个因素（零件整合、生产时间和性能）的应用典范，可以据此推广到其他大多数行业。

　　此外，金属增材制造的应用不仅仅是制造终端零件。还可以在维护、修理和设备大修中大显身手。“生产之后的维护操作也受益于增材制造，可以按需制造备件，从而避免了对零部件和生产工具大量存储的投资。”位于不莱梅的玛瑞斯金属3D打印中心技术经理Ingo Uckelmann说，“随着人们的金属增材制造意识的不断增强，新的应用程序将不断涌现。”

　　Uckelmann还提供了一个有用的指南，用于决定您的零件适合用增材制造还是减材制造：与铣削相比，如果买入比高于10：1，则金属增材制造具有成本竞争力，特别是对于钛产品。 如果周转时间很重要，金属增材制造是最好的制造解决方案，因为某些零件的交货周期可以短至10个工作日内。

　　二问：您是否应该让金属增材制造的零件外协？

　　一旦您决定选用金属增材制造，您马上就会遇到制造业中最常见的问题之一：外协或内部制造。这个问题的答案取决于许多因素，包括安装成本、运输成本、检查、质量控制要求、知识产权和安全性等等。

　　Star Rapid公司（一家快速原型、快速制模和定制零件小批量生产的提供商）的总裁兼创始人Gordon Styles对金属增材制造外协的相关问题提供了以下见解：

　　“何时在传统的机械车间生产环境中增添金属3D打印有意义?这当然取决于很多注意事项，但对我而言，这个选择可以归结为一些基本的考虑因素。”

　　“首先，您的工作岗位上必须要有一名熟练的且经验丰富的技术人员或工程师来实施金属打印工艺。这不同于减材加工，它需要一套完全不同的技能。如果没有这一点，那么一切努力都是白费。”

　　“其次，您必须记住，只有当零件可以批量生产或最终产品具有稳定的高利润回报的情况下，才能证明前期大量的成本投资是合理的。”

　　贝特同意他的观点，并强调从安装金属3D打印机到调试并满负荷运行之间的时间停滞：

　　“新用户容易犯的最大错误是，在购买机器或瞄准某个应用之前，并没有真正弄清楚用它加工零件会出现哪些问题。即使在人才济济的大公司，从设备交付到正常生产零部件也要经历一年半载的时间。”

　　Uckelmann指出，如何将金属增材制造整合到现有生产线中是另一个难题：

　　“公司所处的发展阶段也可能是一个问题。理想情况下，公司一开始就设计引进金属增材制造，而不是在开发和工程实施的中途。该行业的标准化水平也需要赶上来，金属增材机器的报废率要下降，以便企业安装自己的机器，而不是转向金属增材服务提供商。”

　　Styles也谈及了外协中更为普遍的问题：

　　“如果一家公司为自己制造零部件，比如GE公司打印先进的燃油喷嘴，那么他们就可以控制自己的专利设计，并直接监测结果的质量——这是制造一些执行关键功能的尖端零件需要考虑的重要因素。”

　　Styles给出最后一个值得强调的告诫：

　　“还需要说的是，几乎所有的金属3D打印的零件都需要某种形式的后续加工，所以在一个车间内两种加工工艺（CNC和增材制造）都各有优势。然而，我要提醒大家，只有在对成本、技术设计要求以及您真正希望达到的目标进行了广泛深入的研究之后，才能进行这样的投资。”

　　即使您认为金属增材制造外协是更好的选择，那些适用于内部增材制造的注意事项仍然适用于您。现在，最紧迫的问题是，哪种金属增材技术最适合您的应用。

　　三问：粉末床融合或直接能量沉积：哪个适合你？

　　一般来说，金属3D打印有两种主要方法：粉末床融合（PBF）和直接能量沉积（DED）。另外还有相对较新的桌面金属增材结合金属沉积（BMD）技术。虽然BMD的前景不错，但与PBF和DED相比，它仍处于相对较早的阶段。因此，我们将重点介绍粉末床融合和直接能量沉积。

　　粉末床融合是使用诸如激光或电子束等热源选择性地固化粉末材料。其中已打印部件周围未融合的粉末作为悬伸部分的支撑。这种方法提供了从多种材料中（包括塑料、陶瓷和金属）制造高度复杂零件的能力。金属PBF的子类型包括直接金属激光烧结（DMLS），电子束熔化（EBM）和选择性激光烧结（SLS）。

　　相比之下，直接能量沉积涉及将粉末或金属丝送入使用激光或电子束在零件表面上生成的熔池中。该过程本质上是另一种自动堆焊的形式。这种方法的优点是能够进行三轴以上操作并且可以将多种材料融入一个零件上。DED的子类型包括激光金属沉积（LMD）和直接金属沉积（DMD）。

　　一般来说，PBF更适合从零开始制作整个零件，而DED更适合给零件增加特性或实施修复。

　　混合制造技术CEO杰森·琼斯阐述了PBF和DED的相对优势：

　　“能够即时改变增添的金属材料是直接能量沉积的独特之处，” 他说，“与此相反，使用粉末床融合，您通常会从零开始做出一个完整的零件，其内部通道能力非常好。所以如果您关注的零件具有内部腔道，那么用粉末床融合法较为合适。”

　　“到目前为止，DED在技术成熟度和应用方面落后于PBF。原因很简单，”他说，“最初的3D打印思维是：‘打印的东西是开箱即用的，它应该是一个完成品。’这就是为什么它的杀手级应用是原型制造。 而直接能量沉积与机械加工相比却是非常粗糙的，以至于它所具备的量产能力被不得不做的后续加工处理给掩盖了。”

　　对于琼斯来说，解决DED高沉积率与其相对粗糙的零件之间的矛盾是他的公司存在的理由。“通过将直接能量沉积与CNC加工相结合，您能将表面粗糙度从量产能力中分离出来，这就是混合的作用，”他说。

　　因此，这在您购买第一台金属3D打印机之前还有回答另一个重要问题。

　　四问：您应该用混合数控机床还是独立3D打印机？

　　一旦确定了哪种金属增材技术对您特定的制造用途是最有意义的，那么下一个问题就是：走混合路线，使用增材和减材相结合的机床？还是投资一台独立的金属3D打印机？

　　如果您的用途正好需要PBF，那么您应该找一台独立打印机。因为DED天然地适合融入混合体系。不过，也有个别公司的混合理念是混合PBF技术。

　　混合机床是一个有争议的话题。比如，Uckelmann指出，铣削与金属增材相结合的机床不能同时执行这两种功能。这就是为什么他预测说：“未来，混合加工很可能是增材制造机和数控机床的联合生产线，零件在一个系统和另一个系统间转移。”

　　“我想告诉人们这里所面临的挑战的关键，”PADT的高级技术专家Dhruv Bate说， “除非它能够为我一站式完成所有工作——支持粗精加工。否则我看不到在混合机床上有任何投资的优势，因为我很可能仍然需要目前所有这些下游操作来真正地完成零件的生产。”

　　琼斯对这个问题有独到见解。他的公司生产的沉积模块可以添加到现有的机床上，将传统的数控机床转化为混合增减材装置。他说：“我们已经开创了一个新的领域，您可以在一台机器上完成所有操作，并且可以获得非常有效的应用以及较低的成本。”

　　琼斯谈到如何确定混合加工对您的应用是否有意义：“提出一个疑问‘您在零件上添加的材料占多少百分比？’如果您只添加了5-15％，那么一体式混合机床可以为您提供一个更好的商业案例。相反，如果要从零开始构建一些东西，它几乎全部由粉末制成，那么独立式的增材机器可能更有意义。”

　　关于“混合式VS独立式金属打印机”这个主题，最后一点值得注意的是，包括德玛吉森精机，ELB，马扎克在内的几家大型机床制造商现在都有自己的混合机床。

　　五问：您的材料有限制吗？

　　至此，您已经确定金属增材制造是适合您的，并已经决定了外协或是在内部打印制造，而且您也选择了合适的增材技术以及将要使用的机器。

　　那么，下一步是什么？

　　在这一点上，请花些时间考虑一下您的材料需求，以及您将用作原料的金属（粉末）的可用性和特性。您选择的DED或PBF技术可能会对您可用的材料造成一些限制，另外，除了金属粉末以外，DED还可以使用焊丝产品，这取决于不同的系统。一般来说，金属丝比金属粉末更多样化，也更容易获得，这在很大程度上归功于前者在焊接中的应用。

　　“对于新用户来说，一个常见的错误是，不清楚哪种合金可用于金属增材制造，”Uckelmann说，“新用户经常根据经典合金组合来思考，但并不是所有这些都可以用于金属增材。”

　　Sciaky，一家金属3D打印技术开发商，也包括电子束增材制造（EBAM），列出了以下可用于金属丝增材的原料：

　　▪钛和钛合金

　　▪铬镍铁合金600,675,718

　　▪镍和铜镍合金

　　▪不锈钢300系列

　　▪铝合金1100,2318,2319,3000系列，4043,4047,5183,5356,5554,5556

　　▪合金钢

　　▪钴合金

　　▪4340钢

　　▪锆合金

　　▪钽

　　▪钨

　　▪铌

　　▪钼

　　增材制造金属粉末供应商山特维克材料技术公司将以下材料列为其最受欢迎的产品：

　　▪奥氏体不锈钢和双炼钢

　　▪钴合金

　　▪低合金钢

　　▪镍合金

　　▪工具钢（包括马氏体时效钢）

　　其他普通粉末材料包括：

　　▪铝合金

　　▪钛和钛合金

　　▪铜合金

　　▪贵金属（金，铂，钯，银）

　　选择正确的供应商与选择正确的原料类型和材料几乎一样重要。贝特之前曾预测，金属粉末供应链的增长将难以跟上供应的步伐。缺乏高品质、无缺陷的金属粉末可能是短期内金属增材制造的主要瓶颈。

　　这就是为什么合格的原料如此重要，对于来自传统减材（CNC加工）背景的人来说这可能是陌生的。“来自制造领域的人们不习惯对金属的质量负责，”琼斯说，“现在，当你买了一块材料时，你假设它是完全致密的。但是随着增材加工的进行，它会形成新的内部微观结构。对于和机床打交道的人来说，这将是一片新的天地，你会对原材料的任何缺陷保持足够关注。”

　　三菱日立电力系统美洲公司总裁兼CEO保罗·布朗宁（同时也是一名科班出身的冶金学家），他强调了投资金属3D打印方面的困难：

　　“我对增材制造新用户最大的建议是聘请一位好的冶金学家。增材制造的最大挑战是掌握冶金权。打印一些看起来像你想要的样子的东西实际上并不是那么难，但是打印一些可以实现你想要的方式（或性能）的东西——这才是真正的挑战。在金属领域，所有的挑战都在材料工程领域。”

　　如果您可以自信地回答上述所有五个问题，恭喜您！ 您已准备好开始将金属3D打印整合到制造业务中了。

　　话虽如此，在您能够充分利用这个光彩夺目的增材制造之前，还有很多事情要做。 除了上述五个问题之外，您还需要回答以下五个问题：

　　一、你需要什么辅助设备？

　　二、培训或认证怎么办？

　　三、您的后加工处理要求？

　　四、如何评估你的金属零件？

　　五、会有哪些安全隐患？