為什么FDM廠商有可能切入金屬3D打印？學術文獻讀后

本文內容核心

AM易道深度分享

做塑料FDM打印機的廠商，距離金屬3D打印有多遠？

答案可能是：一個打印頭的距離。

2025年11月，約翰霍普金斯大學研究團隊在《Journal of Manufacturing Processes》發表了一篇綜述論文，系統梳理了一類叫做MEAM的金屬打印技術。

這個學術縮寫讀起來有點拗口，AM易道更愿意直接叫它FDM式金屬打印。

因為它的系統架構和塑料FDM打印機實在太像了。

運動系統可以沿用，送絲機構可以沿用，溫控邏輯相通。

我們看來，核心差異只在打印頭。

這篇文章，AM易道試圖深度解讀這篇論文的關鍵內容。

AM易道對于該文章的許多理解和表達已脫離原文章的原始技術表述，有大量原創主觀的解讀創作成分，如需要了解更多原始硬核技術內容，請自行閱讀原文。

一臺改裝過的FDM打印機

我們理解FDM金屬打印最直接的方式，就是把它想象成一臺改裝過的塑料打印機。

工作原理大家都熟：絲材從料盤出來，經送絲機構進入加熱的打印頭，熔化后從噴嘴擠出，一層一層堆起來。

FDM式金屬打印流程幾乎一樣，區別在于把塑料絲換成金屬絲，把兩百度的加熱溫度提到四五百度甚至更高。

論文里有張系統架構圖，看完你就明白這兩種技術有多近。

左邊是整體流程：金屬絲材從上方進入打印頭，加熱后從噴嘴擠出沉積。右邊把打印頭拆成兩個模塊—加熱和擠出。

加熱方式一般有三種。

最常見的是間接電阻加熱，用加熱棒包裹料筒和噴嘴，熱量從外向內傳。

這和塑料FDM打印機完全一樣，簡單便宜，但熱響應慢。

還有直接電阻加熱，讓電流通過金屬絲本身產生熱量，響應快但系統復雜。

第三種是感應加熱，電磁感應直接在金屬內部生熱，不過銅和鋁這類材料反而不太好加熱。

感應加熱熟悉嗎？拓竹H2C大家都見到過。

擠出方式一般也有三種。

輪驅動送絲最主流，和塑料機的擠出機構原理相同。氣壓擠出靠壓力把金屬推出來。重力擠出最簡單，讓熔融金屬自己流下去。

論文展示了五個實際運行的系統，有意思的是其中好幾個看起來特別像改裝的桌面打印機。

區別是打印頭用銅管纏繞加熱，但送絲機構幾乎沒變。

當然也有工業級設備，比如已經倒閉的Digital Alloys公司的Joule Printing系統，以及比利時ValCUN公司的商業機器。

這五個系統的細節大家可以閱讀文獻原文了解。

這些實物照片給我們的感覺是：入門門檻可能比想象中低。

對FDM廠商來說，運動平臺、送絲電機、控制軟件都是現成的。

核心挑戰還是集中在打印頭：怎么在高溫下穩定工作，怎么防止氧化和堵塞，怎么控制熔融金屬的流動。

問題不簡單，但邊界是清楚的。

半固態：比熔化更聰明的做法

如果你以為FDM金屬打印就是把金屬完全熔化再擠出來，那想簡單了。

完全熔化的金屬有兩個麻煩。

一是粘度太低，液態鋁的粘度只有蜂蜜的千分之一，比水還稀，從噴嘴出來就到處流。

二是表面張力太高，是塑料的三十多倍，熔融金屬會迅速縮成球，根本沒法保持絲狀。

怎么辦？答案是在半固態區間操作。

每種合金都有一個溫度區間，金屬既不完全是固體也不完全是液體，而是固液共存的那種冰沙狀態。

關鍵在于，這種狀態下金屬有個神奇的特性：

你推它的時候它變稀容易流動，你不推它的時候它變稠保持形狀。這在流變學里叫觸變性，番茄醬和牙膏也是這個原理。

這意味著，金屬在送絲機構推動下順暢流過噴嘴，出來之后很快變稠定型。

這正是擠出打印需要的理想狀態。

半固態加工還有個額外好處：能調控微觀組織。

論文的金相照片顯示，打印出來的材料幾乎都是均勻的球狀晶粒，尺寸在100微米以下。

這種組織比常規鑄造的樹枝狀晶粒更均勻，通常意味著更好的力學性能。

實測也證實了這一點—打印件的強度略高于同成分鑄件。

不過AM易道觀察到，目前力學性能數據還很稀缺。

大多數研究只做了硬度測試，系統的拉伸、疲勞數據幾乎沒有。

性能的全面表征是這條技術路線走向工業應用必須填補的空白。

材料：低熔點的現實與高熔點的野心

能打什么材料，決定一項技術能走多遠。

論文的材料清單讓人喜憂參半。

好消息是確實有人打出了鋁合金和鎂合金。

來看看打印成功的圖片案例：

ValCUN公司用鋁合金打印了相當精美的零件，圖里面85毫米高的花瓶狀結構就出自他們之手，表面質量不輸傳統金屬打印。

還有團隊用回收鋁廢料直接打印成功，上圖的f和g，材料循環利用有想象空間。

但現實是絕大多數研究仍停留在低熔點合金—錫鉛、鉍錫、銦鉍錫這些。熔點低、容易控制，是理想的實驗材料，但離工業需求有距離。

目前沒人成功打印過不銹鋼或鈦合金，這是目前明確的天花板。

不過天花板不等于物理極限。

論文指出，感應加熱和直接電阻加熱在理論上沒有溫度上限，限制在工程層面：噴嘴耐高溫、氣氛保護、高溫流變控制。

這些要一個個解決，方向是明確的。

AM易道觀察，材料范圍拓展是這條路線能否起飛的關鍵。

從論文引用的研究軌跡看，過去五年鋁合金的進展明顯加速，這是積極信號。

在金屬3D打印版圖中的位置

把FDM金屬打印放到整個金屬增材版圖里看，它是什么角色？

論文有張對比表格，和PBF、DED、BJT都做了對比：

幾個關鍵數字值得注意：

設備成本可能比粉末床熔融低一到兩個數量級，能耗差距更大，材料利用率接近100%，線材進多少就沉積多少，沒有粉末飛濺損耗。

有興趣的讀者可以自己細看表格里的具體數據。

短板同樣明顯。

分辨率比粉末床熔融粗一個數量級，材料范圍有限，幾何復雜度受限，缺乏成熟工藝標準。

這里文章澄清了一個常見混淆。

市面上常見的金屬絲材打印（比如Markforged的Metal X）是另一條路線—打印的是塑料包裹金屬粉末的絲材，打完要脫脂燒結，伴隨收縮。

FDM式金屬打印完全不同，直接擠出熔融或半固態純金屬，打印即成型。

論文專門對比了這兩條技術路線，從工藝到性能都有本質差異。

AM易道認為，從對比圖看來，FDM金屬打印的定位逐漸清晰：

不取代激光粉末床，而是可以在成本敏感、精度要求中等的場景開辟空間。

教育科研、小批量定制、材料循環利用，可能是最先落地的領域。

產業機會：窗口正在打開

讀完這篇論文，AM易道認為，有幾件事值得FDM廠商和金屬打印從業者注意。

這條技術路線的框架已經逐漸被學術界梳理清楚了。

在我們看來，FDM廠商確實具備切入這條路線的技術基礎，但有能力和要不要做是兩回事。

金屬打印的市場結構、客戶畫像、售后服務都和塑料打印不同，跨界不只是技術問題。

不過先行者可能獲得窗口期優勢，但這條路線的低成本特性也意味著跟進門檻不會太高。

先發優勢能否持續，取決于能否在材料庫、工藝庫、應用know-how上建立積累。

不過材料能否突破低熔點限制，性能能否達標，以及市場是否需要這樣一條中間路線？

這些問題目前在我們心中并沒有確定答案。

AM易道見過許多被寄予厚望但最終沉寂的3D打印技術，也見過在邊緣默默生長最后找到位置的方案。

這條路線會走向哪里，現在下結論太早。

開頭我們說，FDM廠商距離金屬打印可能只有一個打印頭的距離。

這個距離說遠不遠，說近也不近。

技術上的一步之遙，在商業上可能是漫長的跋涉。

但至少，路已經被看見了。

誰會成為第一個認真走這條路的先鋒？

AM易道將持續持續關注。

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