摘要：针对当前的金属3D打印技术，无论是喷墨沉积成形——HP Metal Jet和Nano Particle Jetting（简写NPJ），还是激光粉末烧结成形——Direct Metal Laser Sintering（简写DMLS）和Selective Lase

针对当前的金属3D打印技术，无论是喷墨沉积成形——HP Metal Jet和Nano Particle Jetting（简写NPJ），还是激光粉末烧结成形——Direct Metal Laser Sintering（简写DMLS）和Selective Laser Sintering（简写SLS）；无论是激光粉末熔覆成形——Selective Laser Melting（简写SLM），还是激光近净成形——Laser Engineered Net Shaping（简写LENS），以及电子束熔化技术——Electron Beam Melting（简写EBM），均离不开适合金属材料的及时供应、工业化大功率能量的提供、优异机械耦合性能的匹配、高速运算批处理系统应用、高效传输速率网络的搭配、成形零件后处理工艺辅助、高水平设计应用人员配置等。唯有这样，金属3D打印才能从大投入高层面的单机应用迅速走向低成本大众化的规模集成。

2.1 适合金属材料的及时供应

适合形态的金属材料是金属3D打印必需的工作介质，类似于液压（气压）装置离不开液压油（压缩气）。3D打印的金属材料既有绝大多数的粉末颗粒状，也有极少数的纳米液态状。这些基于铝、钢、镍等不同成分的金属材料的供应流速、加热温度、黏合剂添加量、所需激光/电子束能量大小、铺粉速度、堆积层厚等数据，均以工艺参数包形式纳入到各3D打印装备的随机材料数据库内，由用户根据所需个性化产品的最佳剖面性能（如机械强度、冲击强度、热稳定性、尺寸稳定性和生物相容性等）进行选用和微调。也就是说，金属3D打印只有做到工作介质、打印装备、工艺参数的一致协调，用户才能获得最高工业标准的创新零件。常用3D打印的金属材料明细，如表2所示。

表2 常用3D打印的金属材料明细

2.2 工业化大功率能量的提供

在金属3D打印中，粉末颗粒至悬浮液/浆料的形态转变、层间黏合剂的高温挥发及EBM造型台的整体预热，均离不开工业化大功率能量的提供。除EBM采用电子束（见图6-a）作为能量源外，其他3D打印技术多用光纤激光器（见图6-b）作为能量源。

a） b） c）

图6 金属3D打印所需的能量源

a）电子束 b）扫描熔化用激光器 c）粉末熔覆用激光器

能量源的功率高低制约着金属3D打印的堆积/熔覆效率，能量源的功率因数大小关系着电能的有效利用，能量源的工况适应性影响着了增材制造的高效发挥。因此，为金属3D打印装备选配具有较宽功率范围、极高电光转换效率、卓越稳定性、极佳光束质量、稳定光束指向、工作波长范围广等特点的光纤激光器是非常有必要的。用于增材制造的国外激光器主要有相干（COHERENT）公司的Monaco激光器、通快（TRUMPF）公司的TruFibe激光器以及IPG公司的掺镱、掺铒、掺铥和拉曼连续激光器等。

2.3 优异机械耦合性能的匹配

在激光金属堆积应用中，包含TruPrint 3000（见图7）在内的各款3D打印机既离不开可快速切换的成形缸和除粉缸，也离不开高速处理的粉末刮粉和激光照射；既离不开工作台200～300℃的预热，也离不开光纤激光器的抓持；既离不开堆积中烟尘的处理，也离不开运行中状态/性能/流程的监测。在激光金属熔覆应用中，包含TruLaser Cell 3000在内的多轴激光加工机床既离不开激光加工头的快换以转变机床工艺——熔覆、焊接或切割，也离不开高动态运动单元的配置以快速精准定位；既离不开高精确度测量系统的使用以位置闭环控制，也离不开双工作台的交换以生产与装载同时进行；等等。

图7 TruPrint 3000打印机示意

基于上述众多零部件的协作配合，激光金属堆积/熔覆设备必须具备优异的机械耦合性能和动态响应特性，方可保证增材制造产品的成形质量、建造效率和生产成本。相应措施有：经直线电动机缩短进给传动链、作第1测量系统的内装型编码器测量速度和识别转子位置以及作第2测量系统的直线光栅尺检测工作台的位移等。

2.4 高速运算批处理系统应用

在金属3D打印中，具备高速运算和批处理性能的数控系统是必不可少的。作为神经中枢的它，不但控制着激光堆积/熔覆的工艺路径，而且联动着工作台的平移/旋转，还协同着粉末铺设、层间刮粉、操作门开/闭、冷却水通/断等辅助动作。它的联动轴数决定着3D打印产品的空间复杂性，扩展轴数制约着3D打印装备的智能化程度。为此，有必要配置高性能极快运算速度的32位甚至64位多核微处理器（CPU）、高稳定性低延迟可纠错的大容量内存及高位宽大容量快响应的显存等，如FANUC 31i、SINUMERIK 840Dsl、MITSUBISHI M800、TNC 640、HNC-848及GSK 980MDi等数控系统。

2.5 高效传输速率网络的搭配

随着金属3D打印的工业化推进，更多的机床、复杂的造形、可控的粉末、快换的工装、可视的状态、集束的激光等模块化组件，通过低延迟多节点的互联网络，不断地集成进生产流程内。物料供应、设备运行、能量利用、造形质量、财务报表、生产控制、订单管理、售后反馈等众多数据，都可在高效传输速率以太网络的辅助下，实时图形化显示在可视化终端上，以备用户及时反应并优化调整。网络化措施有引入5G网络，建设云平台，成立数据部门——规章建制，给定数据规范——命名、编码及安全等，划分数据层级——在设备端、公司层或云平台处理，优化数据流程等。金属3D打印网络化拓扑示意，如图8所示。

图8 金属3D打印网络化拓扑示意

2.6 成形零件后处理工艺辅助

在金属3D打印中，建造完的零件会存在诸多缺陷，既有间隙缺陷和材料自身的物理性能缺陷，也有内应力大、硬度不够、可塑性低等实际性能问题。只有辅助相应的后处理工艺来解决零件缺陷，才能使其满足应用要求。常见的后处理工艺有清除多余粉末——气吹或清洗等，去除打印支撑，底板上切割掉打印件，热处理去内应力，表面抛光——抛光机、液体电解质抛光或干式电解抛光等，精细加工——减材切削的常规手段等。这些工艺需要与3D打印的金属材料、打印技术及零件形状相匹配，有时仅采用一种工艺，有时会采用多种不同的工艺。无论哪种后处理工艺，在3D打印的规模集成化阶段，都应考虑进批量化、自动化、数字化和信息化的发展要求。

2.7 高水平设计应用人员配置

智能工厂并不是无人工厂，它实际是机器、自动化装置、控制软件和设计/应用人员进行完美协作的一个网络化运行空间。随着个性化定制需求的规模扩大，所需零件的造形愈来愈复杂多变，但零件的批次数量会持续降低至单件。这就迫切需求大量的设计人员在CAD/CAE平台进行零件的3D造形，需求应用人员据CAD数据网络操作打印机，需求维护人员随时处理工厂运行中的突发问题。也就是说，高水平的运维队伍是未来单件批次性工厂内创造效益的重要因素，是持续减少间接流程（即加工时间1h的零件需要4h的间接工作）的直接要因。

来源：小方说科技