機(jī)器價(jià)格和尺寸、維護(hù)成本、生產(chǎn)速度、安全性、材料、冶金和質(zhì)量，這些只是未來十年推動(dòng)金屬增材制造發(fā)展的部分因素，另外還包括可重復(fù)性、后處理和易用性等問題。但有一點(diǎn)很清楚，在金屬增材制造成為真正的主流生產(chǎn)技術(shù)前，需要改善的地方還有很多。

■混合AM顯示材料沉積（左）和銑削（右）（由DMG Mori提供）

定向能量沉積和混合系統(tǒng)

金屬增材制造面臨的一項(xiàng)挑戰(zhàn)是生產(chǎn)具有嚴(yán)格公差和良好表面光潔度的即用型零件。大多數(shù)具有嚴(yán)格公差的增材制造零件都需要某種形式的加工。具有集成多軸CNC功能的定向能量沉積(DED)機(jī)器被許多人稱為混合增材制造設(shè)備，為某些類型零件提供了潛在的解決方案。

這些系統(tǒng)首先通過DED增材制造幾層，然后更換為CNC切削工具以在需要時(shí)去除材料和加工表面。然后切換到DED進(jìn)行額外加工。DED和加工交替進(jìn)行，直到零件完成。

混合DED和粉末床融合(PBF)可以直接從機(jī)器上生產(chǎn)即用型零件，盡管兩者都需要從構(gòu)建板上移除零件。零件連接到構(gòu)建板上的表面可能需要在移除后進(jìn)行額外加工和精加工。與PBF相比，DED系統(tǒng)的沉積速度較好，但必須考慮加工時(shí)間。此外，使用DED通常難以生產(chǎn)小特征、細(xì)孔和通道以及晶格結(jié)構(gòu)。

混合DED系統(tǒng)已經(jīng)問世多年。DMG Mori于2013年推出混合動(dòng)力機(jī)器，這些機(jī)器需要大量的決策和專業(yè)知識才能生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)零件。用戶通常決定何時(shí)從DED切換到切割，然后再切換回DED。此外，加工通常需要在5軸設(shè)備上進(jìn)行，與典型的3軸運(yùn)動(dòng)相比，需要更多的編程知識。

混合DED系統(tǒng)的另一個(gè)挑戰(zhàn)是材料在極高溫度下的沉積。加工前，材料必須冷卻。在制造零件時(shí)，加熱和冷卻循環(huán)會(huì)重復(fù)多次，從而導(dǎo)致會(huì)出現(xiàn)難以預(yù)料的冶金結(jié)構(gòu)。

DED的一個(gè)好處是可以使用功能分級材料制造零件。POM Group于2013年被DM3D Technology收購，是最早在生產(chǎn)零件時(shí)使用兩種或多種金屬沉積的公司之一。DED機(jī)器通過多根管子將粉末沉積到能量束中，每根管子攜帶不同的粉末。機(jī)器可以從一種金屬切換到另一種金屬，從而產(chǎn)生功能分級的材料。

這種方法具有潛力但未經(jīng)證實(shí)，因此也就沒有被行業(yè)廣泛采用。部分挑戰(zhàn)是材料可能不相容，從而阻礙了形成良好的冶金性能。在接下來的十年中，隨著用戶和生產(chǎn)者對技術(shù)的持續(xù)投資，混合DED的許多挑戰(zhàn)將得到克服。

這可能導(dǎo)致它成為中型和大型增材制造零件的首選工藝。我們可以期待看到成熟制造商改進(jìn)的工作流程和端到端解決方案。不少公司已經(jīng)繼續(xù)改造現(xiàn)有的CNC設(shè)備，而不是從頭開始開發(fā)混合DED。隨著工程師對技術(shù)理解的提高，他們將改變設(shè)計(jì)某些類型金屬零件的方法。

■254×254×76mm鉻銅塊上的3.18mm H13鋼表面（由路易斯維爾大學(xué)科技增材制造研究所提供）

金屬粉末床融合

根據(jù)Wohlers Report 2021研究報(bào)告，如今PBF是最流行的金屬增材制造工藝。它仍然是一個(gè)相對緩慢的工藝，而且近年來大多數(shù)機(jī)器制造商都致力于創(chuàng)建更快的打印系統(tǒng)，通常是通過添加更多的激光器。除了提高打印速度外，近年來機(jī)器制造商的大部分工作都集中在提高零件質(zhì)量上，部分是通過使用更薄的層來制造零件。

但是，這可能會(huì)導(dǎo)致構(gòu)建時(shí)間變慢。如果層厚不變，在單激光系統(tǒng)中添加激光可以使生產(chǎn)速度提高近一倍。在接下來的十年中，預(yù)計(jì)PBF系統(tǒng)的打印速度將成為各大企業(yè)的研發(fā)重點(diǎn)。

■運(yùn)行中的四激光PBF機(jī)器（由EOS提供）

其他進(jìn)步將包括智能軟件、更好的控制和更一致的結(jié)果。目前，如果有3個(gè)用戶為金屬PBF設(shè)置相同的部分，但沒有設(shè)置協(xié)議，他們可能會(huì)得到三個(gè)不同結(jié)果。這是因?yàn)橛脩粼跍?zhǔn)備構(gòu)建時(shí)必須設(shè)置幾個(gè)參數(shù)。其中包括支撐/錨設(shè)計(jì)和位置、零件方向和構(gòu)建參數(shù)。將來，軟件工具將建議甚至自主完成大部分設(shè)置。這將導(dǎo)致用戶之間更高的打印一致性。

混合PBF機(jī)床例如Matsuura的Lumex系列，集成了PBF和CNC銑削。在構(gòu)建幾層后，CNC刀具在鋪展下一層粉末前對表面進(jìn)行加工。預(yù)計(jì)這種混合工藝將進(jìn)一步發(fā)展，可能會(huì)增加用于微加工的激光燒蝕。落入粉末中的機(jī)加工碎屑目前是這類系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)。

十年后，購買和維護(hù)金屬PBF設(shè)備的成本有望下降。這將受到市場競爭以及規(guī)模經(jīng)濟(jì)的推動(dòng)。金屬粉末的價(jià)格也是如此。Wohlers 2021年報(bào)告包括68家金屬PBF系統(tǒng)制造商和60家金屬粉末第三方生產(chǎn)商，反映了當(dāng)前競爭的公司總體數(shù)量。

粘合劑噴射

金屬粘合劑噴射(BJT)已經(jīng)存在多年，ExOne在2000年代初期就推出了相關(guān)的商業(yè)機(jī)型。數(shù)年后，Digital meta向市場提供BJT服務(wù)并在2016年開始銷售對應(yīng)設(shè)備。Desktop metal在2021年第三季度收購ExOne之前提供了生產(chǎn)和車間金屬BJT系統(tǒng)。GE Additive和HP聯(lián)合投資開發(fā)金屬BJT系統(tǒng)。

在HP和Desktop metal進(jìn)入金屬BJT領(lǐng)域后，對該技術(shù)的興趣與日俱增。該工藝的一個(gè)吸引人的特點(diǎn)是生產(chǎn)“綠色”零件的速度，這可能使其成為一項(xiàng)有趣的批量生產(chǎn)工藝。挑戰(zhàn)在于BJT需要在熔爐中進(jìn)行脫脂和燒結(jié)作為輔助工藝。燒結(jié)過程中零件的收縮率通常在20%范圍內(nèi)。再加上熔爐中發(fā)生的其他變化，可能會(huì)產(chǎn)生意想不到的結(jié)果。

當(dāng)零件較小時(shí)，這種不一致性問題不大。但當(dāng)打印零件超過50-75mm的時(shí)候，BJT工藝就不怎么常用了?？傮w而言，今天行業(yè)對金屬BJT還不是很了解。發(fā)生問題時(shí)，可能很難確定具體原因，可能是設(shè)計(jì)、構(gòu)建過程、構(gòu)建方向、燒結(jié)或其他因素。與傳統(tǒng)制造形式相比，高材料成本也是金屬BJT的一個(gè)考慮因素。

十年后，金屬BJT的許多當(dāng)前問題可能會(huì)得到解決，前提是還有公司繼續(xù)投資并看好這項(xiàng)技術(shù)。解決方案的一部分將是改進(jìn)對過程的理解，再加上模擬軟件。其他改進(jìn)將來自更廣泛的可用粘合劑和材料。這些進(jìn)步將使汽車行業(yè)通過BJT更好地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量化。由于金屬PBF速度慢，生產(chǎn)成本相對較高，該行業(yè)一直對使用金屬PBF猶豫不決。

其他發(fā)展

材料擠壓。在接下來十年中，我們將看到教育和研究機(jī)構(gòu)以及業(yè)余愛好者和工程師在家工作的金屬材料擠壓(MEX)機(jī)器數(shù)量有所增加。盡管仍然需要燒結(jié)爐，但這些機(jī)器的購買和維護(hù)成本更低并且更易于使用。預(yù)計(jì)新的金屬絲會(huì)在較低溫度下熔化。

■金屬增材制造工藝監(jiān)控和熔池分析（Courtesy Flow-3D）

定制合金。大多數(shù)金屬增材制造合金是適用于增材制造的傳統(tǒng)材料。今天只有少數(shù)合金，如 Scalmalloy專門用于金屬增材制造。該領(lǐng)域?qū)⒃谖磥硎陜?nèi)經(jīng)歷重大發(fā)展。與傳統(tǒng)制造材料相比，市場將出現(xiàn)低成本和性能更好的新合金材料。

集成模擬和生產(chǎn)軟件。未來十年，集成仿真和生產(chǎn)軟件將有重大發(fā)展。軟件將模擬增材制造零件的完整制造過程，包括支撐材料的位置、殘余應(yīng)力以及由此產(chǎn)生的冶金特性。根據(jù)模擬結(jié)果，結(jié)合更先進(jìn)的熔池監(jiān)控，屆時(shí)打印設(shè)備將自動(dòng)適應(yīng)生產(chǎn)質(zhì)量更高的零件。

過程監(jiān)控。期望更先進(jìn)的原位過程監(jiān)控系統(tǒng)成為金屬增材制造機(jī)器的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)在構(gòu)建過程中檢測到異常時(shí)，機(jī)器將自動(dòng)采取糾正措施。這些系統(tǒng)將更充分地集成到機(jī)器和設(shè)計(jì)軟件中。

結(jié)論

對于大多數(shù)產(chǎn)品開發(fā)和制造商來說，金屬增材制造仍然相對較新。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)推出了20年，但直到最近機(jī)器制造商每年只售出幾臺(tái)機(jī)器。根據(jù)Wohlers的報(bào)告，即使在今天也很少有公司每年銷售的機(jī)器超過100臺(tái)。目前市面上的金屬增材制造設(shè)備的價(jià)格仍然相對較高。

十年后，預(yù)計(jì)金屬增材制造市場將大不相同。軟件、流程監(jiān)控和端到端工作流程將得到顯著改善。航空航天、醫(yī)療、能源和汽車行業(yè)每年可能會(huì)購買和運(yùn)行數(shù)千套金屬增材制造系統(tǒng)。行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識將與更好的產(chǎn)品和服務(wù)相結(jié)合，以更低的成本生產(chǎn)出質(zhì)量更好的零件，并帶來新型金屬產(chǎn)品和商業(yè)模式。