AM 新手：增材制造及其主要技术入门指南

2023 年 5 月 8 日 | 阅读时间：5 分钟

您是否刚刚接触增材制造这个令人兴奋的世界以及实现它的关键技术？我们在本博客中为您提供了一份全面而简单的指南。

增材制造是面向未来的制造业

虽然从严格意义上讲，增材制造（AM）（有时也称为3D 打印）并不是一项新技术，但近年来它已引起了广泛关注。这其中有许多令人兴奋的原因：

无论企业是使用 AM 系统和材料来塑造最先进的聚合物混合物，还是多功能铝合金，事实上，企业已经具备了根据几何参数制造零件的能力，而这些参数在过去是不可能实现的，或者（至少）是极难实现的。
通过增材制造制造的零件可能看起来比传统制造的零件 "简单"--体积更小、重量更轻、所需的单个组件更少等等。但在许多情况下，AM 制造的零件可以达到或超过传统零件的性能。
增材制造在众多应用中证明了自己的能力。这些应用既有休闲有趣的（跑鞋和曲棍球头盔），也有令人兴奋的（火箭发动机），还有真正重要的（医疗植入物和手术设备）。
增材制造的采用者发现，随着时间的推移，生产质量和效率都有了明显提高，同时还缩短了产品上市时间，降低了总体开支。

自增材制造技术诞生之初，EOS 就参与了这项革命，开发了从3D 打印系统和软件到教育和咨询服务的所有产品。但是，如果您是 AM 的真正新手，您可能还不想了解我们组织的信誉--您想更多地了解这项非凡技术的背景、流程、应用和成功经验。

而这正是我们打算带您踏上的旅程。

简史增材制造

在一些资料中，你会看到美国工程师兼发明家比尔-马斯特斯（Bill Masters）申请的专利--特别是 1984 年 7 月 2 日的 U.S. 4665492A--被称为第一个3D 打印专利。也有人将这一殊荣授予同年在美国申请的查尔斯-赫尔（Charles Hull）专利。而这两项专利对于这项技术的历史都至关重要。

但儿玉秀夫（Hideo Kodama）向日本专利局（JPO）提交的专利申请（JP S56-144478）比马斯特斯和赫尔的申请早了近三年：与 Masters 最终向美国专利商标局（USPTO）提交的申请一样，该申请也描述了一种通过加热（激光或紫外线（UV））来硬化软塑料，从而创建3D 形状的自动化流程。

尽管儿玉在著名的行业期刊上发表了自己的想法，但却无法吸引到资金，因此他放弃了专利申请。马斯特斯通过他的专利，获得了一笔资助，并在该领域工作了约 10 年，但也没有引起什么关注。

默默无闻的分水岭年

1984 年标志着几项关键的自动机械加工工艺的发明--尽管这些早期创新的大规模实现需要时间。Masters 的设计（与 Kodama 的设计一样）是计算机数控 (CNC) 和计算机辅助设计 (CAD) 编程的早期范例，与未来的 AM 系统密不可分。

此外，今年还有两项专利申请，这两项专利申请对增材制造首批具有潜在商业可行性的工艺之一--立体光刻（SLA）--至关重要。

第一项专利由法国发明家阿兰-勒-梅豪泰、奥利维耶-德-维特和让-克劳德-安德烈发明，但在提出申请后不久就被他们的发起人放弃了。第二项发明属于查尔斯-赫尔，它促使 SLA-13D 打印机的生产。对许多人来说，SLA-1 昂贵得令人望而却步，赫尔和其他早期 AM 的倡导者一样，很难说服传统制造商相信它的潜力。不过，赫尔还为 SLA-1 的设计文件发明了 STL，这种格式至今仍很常见。

完善和升级

20 世纪 90 年代，包括 EOS 公司在内的工程师们不断改进早期的增材制造工艺--SLA 和熔融沉积建模（FDM）--并开发新的工艺。大多数（尽管不是全部）工艺都侧重于将聚合物塑造成3D 部件，包括材料和粘合剂喷射、板材层压、激光粉末床熔融 (LPBF) 和选择性激光烧结 (SLS)。其中一些方法，如 SLS 和 LPBF，可以实现先进的金属加工，但其目的是为传统（减法）制造服务。但包括微铸造和热喷涂在内的材料沉积方法的发展，为金属的添加式使用铺平了道路。

随着 CAD 软件的进步以及粉末聚合物和金属的兴起，工业3D 打印系统的完善使其在整个 2000 年代成为众所周知的快速原型制造系统。到了 2010 年代，增材制造，其规模已足以促进更高水平的部件组装，在某些情况下，已足以被准确地视为 "大规模生产"。即使在材料兼容性（主要是金属方面）、实施所需的初始成本和努力、技能差距（尽管正在缩小）以及传统制造商的怀疑等少数限制因素仍然影响着 AM 技术，但该技术的存在和重要性仍在继续扩大。

主要 AM 技术

要认真计划在生产设施中实施增材制造，下一步就是要了解关键 AM 技术的基本原理。

这并不是一份增材制造方法的清单，而且并非下面详述的所有技术都用于 EOS 系统。但是，要在调幅方面做出最明智的决定，就必须了解我们产品目录以外的相关知识。

罐式光聚合

大桶光聚合（有时简称聚合）虽然不是目前仍在使用的 SLA 工艺，但可以说是最常见的工艺。这种方法的名称来源于促进生产的材料：一桶液态光聚合物树脂。根据系统连接的 CAD 软件的设计参数，一个 "构建平台 "被反复放入（然后从）大桶中升起，每次平台升起时，紫外线或激光光源都会将平台上的树脂硬化成层，形成一个部件。组装完成后，系统将产品从槽中取出，并排出多余的树脂。

增材制造通过大桶聚合法制造的物体可能比通过其他 AM 方法制造的部件需要更多的后处理：可能需要进一步的紫外线或激光照射才能有效硬化部件。此外，在制造过程中，有时必须在平台上设置支撑结构，以便硬化树脂形成设计者想要的形状；如果使用了这些支撑结构，则必须随后小心地将其从部件上移除。总的来说，大桶聚合是一种快速、精确的工艺，但由于成品部件不一定耐降解或耐腐蚀，因此它可能更适合原型设计，而不是生产市场上需要的部件。

材料和粘合剂喷射

与大多数其他增材制造方法相比，材料喷射的性质可能更接近于 "打印"，尽管3D 打印有时被用作 AM 的总同义词。构建平台上方的喷嘴将液化材料（通常为聚合物或蜡；偶尔为金属）以重复滴落的形式喷射到构建平台上。当液滴按照设计参数形成层并呈现出计划物体的形状时，紫外线会使其硬化。由于材料喷射只与少数几种材料兼容，其实用性有限；这种方法的主要优点是浪费少，这也有助于快速原型制作。

粘合剂喷射法将粉末和液体结合在一起，以交替层状沉积，液体（通常是聚碳酸酯或聚酰胺）起到粘合剂的作用。这种方法的主要优点是可以将粉末状金属合金和聚合物或陶瓷一起用于制造零件，但液层冷却并形成合适的粘合剂所需的后处理时间较长，在一定程度上抵消了这一优点。

材料挤出

这通常是指熔融沉积建模（FDM），它是最早取得工业成功的增材制造方法之一。这也是台式3D 打印机消费用户最熟悉的方法。聚合物或塑料被拉入打印机，加热，最后通过喷嘴分层沉积，喷嘴在整个过程中自动调整，以满足设计规格。

通过 FDM 挤压材料只能打印聚合物或塑料。虽然 FDM 工业打印机兼容 ABS 塑料，可以作为坚固部件的基础，但与其他增材制造工艺相比，它的速度较慢，精度也不高。这也是生产 FDM 打印机的公司大幅（甚至完全）转向消费市场的主要原因。

板材层压

片材层压是一种增材制造金属片和纸张专用的方法，其应用范围有限，但可用于高速、低成本的原型制造。

这种工艺的金属版本称为超声波增材制造 (UAM)，涉及金属片（通常为铝、铜、不锈钢或钛）的超声波焊接。相比之下，层压物体制造（LOM）是用粘合剂将纸片分层。这两种方法都只适用于创建零件模型。尽管如此，UAM 使用多种金属的能力可以帮助设计师和工程师模拟增材制造，例如，在特定的工业应用中，由铜制成的金属零件如何与其他金属兼容。

定向能量沉积

顾名思义，定向能沉积（DED）通常使用安装在高度灵活的自动机械臂上的喷嘴，在热源聚焦于物质的同时，将材料分层沉积在构建平台上。定向能沉积有许多变体，因此可以使用聚合物、陶瓷或金属材料，但其最常见的子类别--电子束熔化（EBM）--仅适用于金属。

虽然这种方法不适合零件生产，但由于其喷嘴的灵活性，可以作为零件修复的添加剂技术。然而，DED 能够进行的高速修复会降低精度，如果精度是首要考虑的问题，工程师就必须牺牲速度。

粉末床融合

一些最常见的增材制造技术都属于粉末床熔融技术的范畴，包括 SLS、选择性热烧结 (SHS)、选择性激光熔融 (SLS) 和 EBM。这些方法的共同点是依赖粉末状聚合物或金属：使用滚筒或刀片从构建平台（床身）下方或旁边的容器中分层取出粉末，然后加热凝固。

粉末床熔融方法的主要区别如下：

SLS 将聚合物或塑料熔融（烧结）成成品部件。
直接金属激光凝固（DMLS）是用于粉末金属的 SLS 变体。
SHS 使用热打印头将粉末床中的各层烧结在一起。
EBM 只能在真空条件下使用金属粉末，这样电子束才能熔化粉末层。

与其他增材制造方法相比，粉末床熔化速度稍慢，而且需要消耗大量电力。但由于它主要用于工业应用，这些问题并不一定成问题。与模型或原型相比，这种技术的激光变体也可以说更能可靠地生产出功能性的、可投入市场的零件。

EOS 对 AM 技术的贡献

EOS 提供的工业3D 打印系统分别采用 SLS 和 DMLS 变体粉末床熔融技术生产聚合物和金属粉末。事实上，EOS 不仅帮助普及了工业应用中的SLS，还在近 30 年前专门发明了用于金属3D 打印的 DMLS。当很少有人认为增材制造与金属的结合是可行的时候，我们的工程师和专家就在不断改进我们的工具和方法，使之成为现实。

全面创新

EOS 在添加剂行业的声誉并不仅仅取决于我们改进的粉末床熔融方法、我们开发的3D 打印系统或我们内部创造的聚合物和金属增材制造材料。我们对增材制造采取全面的方法，并提供值得信赖的服务来支持我们的硬件和软件，包括屡获殊荣的 Additive Minds 团队提供的项目咨询和3D 打印课程，以帮助添加剂新手成为设计师，并将工程师的技能完善为专业知识。

请联系 Additive Minds 专家了解更多信息，无论您正处于进入增材制造世界的哪个阶段。