獨立研究表明：LPBF金屬3D打印工藝的重要替代技術已出現

冷金屬熔合技術，是指將用于聚合物部件的選擇性激光燒結3D打印工藝與傳統粉末冶金工藝相結合的間接金屬增材制造技術。筆者在9月8日的文章中提到，這項技術的有效性已經在EOS、華曙高科以及Formlabs等企業的SLS設備上進行了驗證，它可以3D打印鈦合金、不銹鋼、工具鋼等，零件尺寸更是從小尺寸覆蓋到中大尺寸。

SLS燒結過程是冷金屬熔合技術的關鍵環節

冷金屬熔合技術3D打印的Ti64泵殼體

最近，筆者關注到弗勞恩霍夫IAPT研究所（鑄造、復合材料及加工技術研究所）的一項獨立研究，評估了“金屬SLS工藝鏈”的工業潛力。研究結果顯示，使用成熟的SLS平臺可以實現經濟高效且可擴展的生產金屬部件，是激光粉末床熔融（L-PBF）技術的重要替代工藝，適用于復雜、難以打印的金屬。

SLS金屬3D打印的技術特征

冷金屬熔合3D打印技術中使用的金屬粉末表層包裹了聚合物，是一種專門研發的復合粉末，3D打印過程就是常規的選擇性激光燒結。金屬粉末表面的聚合物會在激光掃描后熔化，并與周圍粉末連接在一起，形成尺寸穩定的生坯部件。之后，取出生坯部件、清理粉末，再進行溶劑或者熱脫脂，最后進行燒結，最終粉末顆粒實現冶金結合，形成致密度極高的金屬零件。 這個過程的后處理部分，跟傳統的MIM過程是一樣的。

金屬SLS工藝的工藝鏈

與LPBF技術的多方面對比

與LPBF技術的對比涉及成本效益、產品質量以及生產能力。在成本效益層面，研究深入探討了交付周期與成本構成，并結合燒結流程中不同規格爐型的影響進行了考量；在質量表現方面，重點分析了尺寸精度、材料密度、硬度水平、抗拉性能以及表面粗糙度的各項差異。在評價的具體操作部分，他們選擇了制造1000件自行車剎車盤支架，這個量級是中小批量生產中的常見案例，已用它來分析成本情況。

用于評估的自行車剎車盤支架

對于L-PBF和金屬SLS，采用單激光系統對比。由于SLS工藝的堆積速率較高，工藝鏈中的主要時間瓶頸并不在于打印本身，而在于后續的脫脂和燒結步驟。

他們還對兩臺ISO品牌燒結爐的使用成本進行了了解，這兩臺爐子內部尺寸分別為11升以及28升，雖然燒結爐價格相差不大，但是使用成本差異比較顯著，爐子的利用率會對零件單價造成影響。

與L-PBF相比，金屬SLS技術具有較高的堆積速率和無支撐結構的打印，從而無需額外花費大量精力去除支撐。結果并非對所有組件和工藝鏈設計的適用程度相同，但它們確實體現了使用金屬SLS進行批量生產的經濟潛力。

坯料零件加工具有巨大的經濟潛力，尤其對于難熔金屬和硬質合金，因為材料狀態較軟，后處理速度更快，刀具磨損也顯著降低。當尺寸或表面質量未達到要求時，可以對燒結零件進行額外的后處理。

與激光粉末床熔融（L-PBF）這類依托激光的金屬增材制造工藝不一樣，金屬SLS在打印的時候，不需要熔化金屬顆粒。所以，就算是那種很難3D打印的金屬，例如難熔金屬和高反射金屬等，也能夠借助3D打印實現形狀復雜部件的制造。此方法充分利用依托激光的聚合物SLS打印的精度，而且具有燒結步驟的優點，比如低殘余應力。

研究主要得出以下結論：

? 研究表明，與L-PBF相比，CMF的生產時間縮短了50%以上。
? 生坯零件加工具有巨大的經濟潛力，特別是對于刀具和硬質金屬，因為后處理速度更快，并且由于材料狀態較軟，刀具磨損大大降低。
? CMF提供高堆積率和無支撐結構打印，從而消除了 L-PBF 所需的大量額外工作量的支撐去除。
? 研究結果傳達了使用冷金屬熔融進行批量生產的經濟機會。

SLS金屬3D打印相關應用

3D打印技術參考查詢到，采用SLS技術進行制造金屬，CADmore Metal公司已可以實現Ti64、Inconel高溫合金、316L不銹鋼、M2工具鋼、TiAl4822、17-4PH和Haynes282等材料。下文是該技術的一些應用案例，體現了這項技術的應用潛力。

1. 手表表殼

激光粉末床熔融和粘結劑噴射3D打印技術已經在手表表殼制造中實現了商業化。冷金屬熔合技術可以生產316L和17-4PH以及鈦合金，下圖展示了一款采用SLS金屬3D打印的17-4PH不銹鋼表殼，在理論上它可以用于電子3C行業。

2. 小尺寸“精細”特征制造

這個案例所呈現的是一塊55毫米的Ti64燃料電池板，它具有薄壁結構的特點，展現出冷金屬融合3D打印的細節制造能力。這個解決方案，比較適合應用在高溫過濾器、航空航天面板、隔熱罩、催化劑載體、燃燒板等很多領域，同時也證明了冷金屬熔融的多功能性。

3. 大尺寸零件制造

該案例展示的是一件直徑達300mm的鈦合金葉輪演示件，采用SLS技術3D打印，重量約為3公斤。該案例體現出SLS金屬3D打印工藝的主要要點包括：可制造中大尺寸的零件，可制造復雜幾何形狀，能夠制造高性能的鈦合金、鎳基高溫合金等材料零件。體現出該技術對于從事國防科技推進系統、能源或先進流體領域的用戶，具有潛在應用價值，而且該技術可擴展且經濟高效。

4. 生坯前置加工，難度和成本都更低

這款直徑為120mm的鈦合金葉輪，運用冷金屬熔融3D打印，零件經過后處理以后表面光亮。在燒結之前或者之后都有很多辦法能得到想要的表面效果。但如果采用激光熔化3D打印，去達到圖中這樣的效果，制造成本就會很高。

5. 小批量制造能力

該案例展示的是在12h內3D打印的Ti64生坯部件。打印溫度是50℃，粉末100%重復使用，不需要跟SLS和MJF塑料3D打印那樣需要長時間冷卻。

當前，運用SLS激光燒結3D打印機制作金屬零件，已經有越來越多的人開始關注。用戶要是采用此種方案，能夠進一步減少制造成本，還能提高生產效率。不過，該項技術的重點在于可以制作出適宜的粉末材料，而且得有成熟的燒結方案，這是影響能不能用、用不用的好的關鍵問題。但是，這條途徑還是給金屬3D打印服務商提供了一條可以探索的思路。

而且筆者還了解到，國內目前也已經有企業在推這種解決方案，主打的名義是卻是超高速SLM，有興趣的讀者歡迎留言、討論！

注：本文由3D打印技術參考創作，未經聯系授權，謝絕轉載。

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