機器價(jia) 格和尺寸、維護成本、生產(chan) 速度、安全性、材料、冶金和質量，這些隻是未來十年推動金屬增材製造發展的部分因素，另外還包括可重複性、後處理和易用性等問題。但有一點很清楚，在金屬增材製造成為(wei) 真正的主流生產(chan) 技術前，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係統

金屬增材製造麵臨(lin) 的一項挑戰是生產(chan) 具有嚴(yan) 格公差和良好表麵光潔度的即用型零件。大多數具有嚴(yan) 格公差的增材製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)機器被許多人稱為(wei) 混合增材製造設備，為(wei) 某些類型零件提供了潛在的解決(jue) 方案。

這些係統首先通過DED增材製造幾層，然後更換為(wei) CNC切削工具以在需要時去除材料和加工表麵。然後切換到DED進行額外加工。DED和加工交替進行，直到零件完成。

混合DED和粉末床融合(PBF)可以直接從(cong) 機器上生產(chan) 即用型零件，盡管兩(liang) 者都需要從(cong) 構建板上移除零件。零件連接到構建板上的表麵可能需要在移除後進行額外加工和精加工。與(yu) PBF相比，DED係統的沉積速度較好，但必須考慮加工時間。此外，使用DED通常難以生產(chan) 小特征、細孔和通道以及晶格結構。

混合DED係統已經問世多年。DMG Mori於(yu) 2013年推出混合動力機器，這些機器需要大量的決(jue) 策和專(zhuan) 業(ye) 知識才能生產(chan) 出優(you) 質零件。用戶通常決(jue) 定何時從(cong) DED切換到切割，然後再切換回DED。此外，加工通常需要在5軸設備上進行，與(yu) 典型的3軸運動相比，需要更多的編程知識。

混合DED係統的另一個(ge) 挑戰是材料在極高溫度下的沉積。加工前，材料必須冷卻。在製造零件時，加熱和冷卻循環會(hui) 重複多次，從(cong) 而導致會(hui) 出現難以預料的冶金結構。

DED的一個(ge) 好處是可以使用功能分級材料製造零件。POM Group於(yu) 2013年被DM3D Technology收購，是最早在生產(chan) 零件時使用兩(liang) 種或多種金屬沉積的公司之一。DED機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。機器可以從(cong) 一種金屬切換到另一種金屬，從(cong) 而產(chan) 生功能分級的材料。

這種方法具有潛力但未經證實，因此也就沒有被行業(ye) 廣泛采用。部分挑戰是材料可能不相容，從(cong) 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(chan) 者對技術的持續投資，混合DED的許多挑戰將得到克服。

這可能導致它成為(wei) 中型和大型增材製造零件的首選工藝。我們(men) 可以期待看到成熟製造商改進的工作流程和端到端解決(jue) 方案。不少公司已經繼續改造現有的CNC設備，而不是從(cong) 頭開始開發混合DED。隨著工程師對技術理解的提高，他們(men) 將改變設計某些類型金屬零件的方法。

■254×254×76mm鉻銅塊上的3.18mm H13鋼表麵（由路易斯維爾大學科技增材製造研究所提供）

金屬粉末床融合

根據Wohlers Report 2021研究報告，如今PBF是最流行的金屬增材製造工藝。它仍然是一個(ge) 相對緩慢的工藝，而且近年來大多數機器製造商都致力於(yu) 創建更快的打印係統，通常是通過添加更多的激光器。除了提高打印速度外，近年來機器製造商的大部分工作都集中在提高零件質量上，部分是通過使用更薄的層來製造零件。

但是，這可能會(hui) 導致構建時間變慢。如果層厚不變，在單激光係統中添加激光可以使生產(chan) 速度提高近一倍。在接下來的十年中，預計PBF係統的打印速度將成為(wei) 各大企業(ye) 的研發重點。

■運行中的四激光PBF機器（由EOS提供）

其他進步將包括智能軟件、更好的控製和更一致的結果。目前，如果有3個(ge) 用戶為(wei) 金屬PBF設置相同的部分，但沒有設置協議，他們(men) 可能會(hui) 得到三個(ge) 不同結果。這是因為(wei) 用戶在準備構建時必須設置幾個(ge) 參數。其中包括支撐/錨設計和位置、零件方向和構建參數。將來，軟件工具將建議甚至自主完成大部分設置。這將導致用戶之間更高的打印一致性。

混合PBF機床例如Matsuura的Lumex係列，集成了PBF和CNC銑削。在構建幾層後，CNC刀具在鋪展下一層粉末前對表麵進行加工。預計這種混合工藝將進一步發展，可能會(hui) 增加用於(yu) 微加工的激光燒蝕。落入粉末中的機加工碎屑目前是這類係統麵臨(lin) 的挑戰。

十年後，購買(mai) 和維護金屬PBF設備的成本有望下降。這將受到市場競爭(zheng) 以及規模經濟的推動。金屬粉末的價(jia) 格也是如此。Wohlers 2021年報告包括68家金屬PBF係統製造商和60家金屬粉末第三方生產(chan) 商，反映了當前競爭(zheng) 的公司總體(ti) 數量。

粘合劑噴射

金屬粘合劑噴射(BJT)已經存在多年，ExOne在2000年代初期就推出了相關(guan) 的商業(ye) 機型。數年後，Digital meta向市場提供BJT服務並在2016年開始銷售對應設備。Desktop metal在2021年第三季度收購ExOne之前提供了生產(chan) 和車間金屬BJT係統。GE Additive和HP聯合投資開發金屬BJT係統。

在HP和Desktop metal進入金屬BJT領域後，對該技術的興(xing) 趣與(yu) 日俱增。該工藝的一個(ge) 吸引人的特點是生產(chan) “綠色”零件的速度，這可能使其成為(wei) 一項有趣的批量生產(chan) 工藝。挑戰在於(yu) BJT需要在熔爐中進行脫脂和燒結作為(wei) 輔助工藝。燒結過程中零件的收縮率通常在20%範圍內(nei) 。再加上熔爐中發生的其他變化，可能會(hui) 產(chan) 生意想不到的結果。

當零件較小時，這種不一致性問題不大。但當打印零件超過50-75mm的時候，BJT工藝就不怎麽(me) 常用了。總體(ti) 而言，今天行業(ye) 對金屬BJT還不是很了解。發生問題時，可能很難確定具體(ti) 原因，可能是設計、構建過程、構建方向、燒結或其他因素。與(yu) 傳(chuan) 統製造形式相比，高材料成本也是金屬BJT的一個(ge) 考慮因素。

十年後，金屬BJT的許多當前問題可能會(hui) 得到解決(jue) ，前提是還有公司繼續投資並看好這項技術。解決(jue) 方案的一部分將是改進對過程的理解，再加上模擬軟件。其他改進將來自更廣泛的可用粘合劑和材料。這些進步將使汽車行業(ye) 通過BJT更好地實現產(chan) 量化。由於(yu) 金屬PBF速度慢，生產(chan) 成本相對較高，該行業(ye) 一直對使用金屬PBF猶豫不決(jue) 。

其他發展

材料擠壓。在接下來十年中，我們(men) 將看到教育和研究機構以及業(ye) 餘(yu) 愛好者和工程師在家工作的金屬材料擠壓(MEX)機器數量有所增加。盡管仍然需要燒結爐，但這些機器的購買(mai) 和維護成本更低並且更易於(yu) 使用。預計新的金屬絲(si) 會(hui) 在較低溫度下熔化。

■金屬增材製造工藝監控和熔池分析（Courtesy Flow-3D）

定製合金。大多數金屬增材製造合金是適用於(yu) 增材製造的傳(chuan) 統材料。今天隻有少數合金，如 Scalmalloy專(zhuan) 門用於(yu) 金屬增材製造。該領域將在未來十年內(nei) 經曆重大發展。與(yu) 傳(chuan) 統製造材料相比，市場將出現低成本和性能更好的新合金材料。

集成模擬和生產(chan) 軟件。未來十年，集成仿真和生產(chan) 軟件將有重大發展。軟件將模擬增材製造零件的完整製造過程，包括支撐材料的位置、殘餘(yu) 應力以及由此產(chan) 生的冶金特性。根據模擬結果，結合更先進的熔池監控，屆時打印設備將自動適應生產(chan) 質量更高的零件。

過程監控。期望更先進的原位過程監控係統成為(wei) 金屬增材製造機器的標準。當在構建過程中檢測到異常時，機器將自動采取糾正措施。這些係統將更充分地集成到機器和設計軟件中。

結論

對於(yu) 大多數產(chan) 品開發和製造商來說，金屬增材製造仍然相對較新。這項技術已經推出了20年，但直到最近機器製造商每年隻售出幾台機器。根據Wohlers的報告，即使在今天也很少有公司每年銷售的機器超過100台。目前市麵上的金屬增材製造設備的價(jia) 格仍然相對較高。

十年後，預計金屬增材製造市場將大不相同。軟件、流程監控和端到端工作流程將得到顯著改善。航空航天、醫療、能源和汽車行業(ye) 每年可能會(hui) 購買(mai) 和運行數千套金屬增材製造係統。行業(ye) 經驗和專(zhuan) 業(ye) 知識將與(yu) 更好的產(chan) 品和服務相結合，以更低的成本生產(chan) 出質量更好的零件，並帶來新型金屬產(chan) 品和商業(ye) 模式。