根據(jù)此前Wohlers的報(bào)告稱，在全球36家主要的金屬3D打印中，采用粉末床選區(qū)熔化技術(shù)為18家，采用定向能量沉積技術(shù)為8家，合計(jì)占比達(dá)到 72%。這里可以看出在金屬3D打印工藝中，技術(shù)路線上主要分為兩大類：粉末床熔合技術(shù)和定向能量沉積技術(shù)，今天我們就一起來(lái)聊聊它們的同與不同。

粉末床熔合技術(shù)（Powder Bed Fusion，PBF）

PBF在金屬3D打印中占比最高，超過(guò)了該技術(shù)的主要代表性工藝包括選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering, SLS），選擇性激光熔化（Selective Laser Melting，SLM），電子束選區(qū)熔化（Electron Beam Melting，EBM），直接金屬激光燒結(jié)（Direct Metal Laser-Sintering，DMLS），這些技術(shù)在工作原理上基本一致，差別主要在于所使用熱源的不同。

其中，SLS技術(shù)由美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的C.R. Dechard于1989年發(fā)明；SLM由德國(guó)弗勞恩霍夫研究所在1995年提出，并獲得原始專利；EBM是1994年由瑞典ARCAM公司所開(kāi)發(fā)；DMLS由快速產(chǎn)品創(chuàng)新 (RPI) 和EOS從1994年開(kāi)始聯(lián)合開(kāi)發(fā)。

直接能量沉積（Direct Energy Deposition，DED)

該技術(shù)包括激光、等離子、電子束幾種不同的熱源，材料包括粉末或絲狀兩種主要的形態(tài)。金屬材料在沉積過(guò)程中實(shí)時(shí)送入熔池，這類技術(shù)以激光近凈成型(Laser Engineered Net Shaping, LENS)、金屬直接沉積（Direct Metal Deposition，DMD）、電子束自由成形制造（Electron Beam Freeform Fabrication，EBF）、電弧熔絲增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing，WAAM）為代表。

在粉末床熔合PBF技術(shù)中，激光被作為最主要的熱源被廣泛使用。在本文中，我們將主要比較這兩種工藝：激光粉末床熔合 (L-PBF)和定向能量沉積 (DED)，包括它們的工藝原理，優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域和主要廠商。

工作原理

PBF技術(shù)的原理是將粉末材料均勻鋪在成形平臺(tái)上，然后用激光束或電子束作為熱源，按照軟件規(guī)劃的路徑照射并熔化粉末，熔化的粉末在冷卻過(guò)程中固化，逐層進(jìn)行鋪粉，熔化，固化的過(guò)程直到整個(gè)零件完成。這里需要指出的是，在激光粉末床熔融成型的過(guò)程中，粉末床往往需要置于惰性氣體（如氬氣）中，對(duì)于金屬材料來(lái)說(shuō)，這可以防止其在高溫環(huán)境下發(fā)生氧化；而在電子束粉末床熔融成型中，則需要高度真空的環(huán)境，如果存在氣體分子，電子束會(huì)與氣體分子發(fā)生碰撞，造成能量的損失和方向的改變。

打印完成后，必須讓其冷卻。然后去除周圍的松散金屬粉末以及打印支撐。最后，金屬零件經(jīng)過(guò)各種后處理后得到最終的成品。

就DED技術(shù)而言，我們可以把它當(dāng)作是擠壓和PBF的混合體。它通過(guò)噴粉或送絲的方式使材料進(jìn)入激光束、電子束等熱源的作用范圍。當(dāng)熱源離開(kāi)后，熔融的材料快速冷卻和凝固，與之前的沉積層形成一個(gè)整體。這樣的沉積過(guò)程逐層反復(fù)，最后完成構(gòu)件的打印。事實(shí)上，該技術(shù)成形出毛坯，然后通過(guò)CNC數(shù)控加工達(dá)到需要的精度。

與粉末床熔融成形類似，為了避免金屬在高溫下發(fā)生氧化，可以通過(guò)噴嘴送入惰性氣體，營(yíng)造出局部保護(hù)環(huán)境。

優(yōu)點(diǎn)和局限性

金屬粉末床熔合是生產(chǎn)可直接使用的最終零件的最廣泛使用的技術(shù)之一，DED不同，它更多地用于修復(fù)、涂層或添加定制零件。綜觀這兩種技術(shù)，兩者都有優(yōu)點(diǎn)和局限性。PBF的主要優(yōu)勢(shì)在于它可以制造出幾何復(fù)雜度高的零件。此外，當(dāng)與拓?fù)鋬?yōu)化相結(jié)合時(shí)，該技術(shù)可以用更少的材料制造更輕的金屬部件，這在汽車和航空航天等行業(yè)至關(guān)重要。

另一方面，DED技術(shù)非常適合加工具有高機(jī)械性能的大型金屬零件。DED 3D打印機(jī)由放置在多軸機(jī)械臂（可以有四個(gè)或五個(gè)）上的噴嘴組成，可實(shí)現(xiàn)高打印自由度和大打印量。就生產(chǎn)時(shí)間而言，打印速度高達(dá)5kg/h 的材料沉積工藝是最快的工藝之一。根據(jù)美國(guó)3D打印機(jī)制造商Optomec的說(shuō)法，DED比PBF 快10倍。這是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，但在零件精度方面也是一個(gè)缺點(diǎn)，因?yàn)楦叩拇蛴∷俣刃枰蟮膶雍穸龋ㄔ?到10毫米之間），因此零件的表面精度較低。另一方面，PBF具有非常薄的層（低至0.02毫米），激光逐點(diǎn)作用于零件，精度更高。

就零件尺寸而言，DED有利于生產(chǎn)大型產(chǎn)品，而粉末床融合的尺寸受到了密封室的限制。使用PBF制造的最大零件一般不超過(guò)1米，而DED可以制作幾米的大件。此外，這兩種技術(shù)都能節(jié)省材料。對(duì)于PBF，對(duì)于某些未加工的金屬粉末可以重復(fù)使用，因?yàn)樾路勰┛梢耘c舊粉末混合。另一方面，DED在其制造過(guò)程中使用的材料較少，盡管該過(guò)程確實(shí)需要機(jī)械加工技術(shù)來(lái)去除零件上的材料。與傳統(tǒng)的施工方法相比，這兩種技術(shù)都有助于減少?gòu)U料。

從更現(xiàn)實(shí)的角度來(lái)看，目前PBF技術(shù)并不適合大規(guī)模生產(chǎn)，因?yàn)榕cCNC加工相比，它的成本太高。因此，它更適合用于需要特定或定制幾何形狀的小批量生產(chǎn)。最后，與DED相比，PBF打印中使用的材料量對(duì)生產(chǎn)成本的影響更大。此外，使用材料沉積技術(shù)，無(wú)法生產(chǎn)具有復(fù)雜幾何形狀的零件，DED往往被用于形狀簡(jiǎn)單的零件。最后，這兩種技術(shù)通常還需要精加工的后處理步驟，增加了生產(chǎn)成本。

就材料而言，金屬粉末床熔合擁有廣泛的兼容材料，例如不銹鋼、鈷鉻合金、鋁、鈦、鉻鎳鐵合金和銅，也可以使用金、鉑和銀等貴金屬。許多粉末或細(xì)絲形式的金屬也可用于DED技術(shù)。與PBF技術(shù)不同，直接能量沉積通常允許使用所有可焊接材料，例如鈦和鈦合金、鉻鎳鐵合金、鉭、鎢、鈮、不銹鋼和鋁。

應(yīng)用領(lǐng)域

PBF技術(shù)往往被用于航空航天、汽車、醫(yī)藥甚至珠寶等要求苛刻的行業(yè)，是目前最為主要的金屬3D打印技術(shù)，應(yīng)用案例非常多，這里不做重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)。而對(duì)于DED技術(shù)，主要應(yīng)用包括大型零件的修復(fù)。以航空航天領(lǐng)域?yàn)槔湫偷膽?yīng)用案例是修理渦輪螺旋槳、閥門或各種工具。

PBF零件的精度和質(zhì)量也使其特別適合汽車行業(yè)的最終用途，將3D打印零件集成到汽車中，例如油分離器、底盤或發(fā)動(dòng)機(jī)部件。它還可以與貴金屬一起使用來(lái)制作珠寶或配飾。對(duì)于醫(yī)療領(lǐng)域，這項(xiàng)技術(shù)提供了為每個(gè)患者定制植入物的可能性，例如金屬顱骨植入物或牙冠。

與PBF一樣，DED工藝也用于醫(yī)療領(lǐng)域，以生產(chǎn)骨科植入物、手術(shù)器械和假肢。一些金屬，例如鈦或不銹鋼，甚至具有生物相容性。最后，材料沉積還用于各類部件的金屬保護(hù)涂層。這使得零件更硬，更耐腐蝕、防銹、耐化學(xué)品或耐候。

其他行業(yè)也受益于這些技術(shù)，例如石油和天然氣行業(yè)的壓力容器等應(yīng)用，可以用DED生產(chǎn)，以及海事和國(guó)防行業(yè)把它用于組件的生產(chǎn)。此外，在復(fù)雜零件的情況下，還可以以互補(bǔ)的方式使用這兩種技術(shù)，以便在最短的時(shí)間內(nèi)獲得盡可能精細(xì)的混合零件。比如，對(duì)于內(nèi)部幾何復(fù)雜度較高的零件，可以對(duì)內(nèi)部零件使用PBF，而對(duì)外部零件使用DED技術(shù)以加快生產(chǎn)速度。

主要廠商

如今，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多制造商都有生產(chǎn)銷售粉末床激光熔化金屬3D打印機(jī)。在國(guó)內(nèi)，可以看到西安鉑力特，湖南華曙高科，北京易加三維，廣東漢邦科技等，國(guó)外的德國(guó)EOS，SLM Solutions，英國(guó)雷尼紹Renishaw等。

專注于激光DED機(jī)器的國(guó)外制造商包括AddUp，該公司于2018年收購(gòu)了市場(chǎng)領(lǐng)先的DED機(jī)器制造商之一BeAM。Optomec也是領(lǐng)先企業(yè)之一，其專利LENS工藝于1998年推向市場(chǎng)。還有通過(guò)該工藝3D打印火箭的美國(guó)相對(duì)論公司Relativity Space，此外FormAlloy、MX3D、DMG Mori、InssTek和Meltio也值得一提。

國(guó)內(nèi)的代表企業(yè)包括江蘇永年激光、中科煜宸激光、武漢天昱智造、西安優(yōu)弧智熔、南京英尼格瑪等。除了都有哪些廠商外，大家或許還會(huì)關(guān)注設(shè)備的價(jià)格。事實(shí)上，DED和PB​​F 3D打印機(jī)價(jià)格都相對(duì)較高，一般在50萬(wàn)以上，甚至一些3D打印機(jī)可能高達(dá)近千萬(wàn)元。

總結(jié)

根據(jù)SmarTech報(bào)告稱，到2031年全球金屬3D打印零件市場(chǎng)將達(dá)到750億美元，這是一個(gè)非常具有潛力的市場(chǎng)。至于到底是選擇激光粉末床融合還是定向能量沉積，還是需要根據(jù)實(shí)際的需求來(lái)做判斷。總的來(lái)說(shuō)，各有利弊，但都是3D打印中的核心技術(shù)，誰(shuí)能真正掌握，未來(lái)就將擁有更多話語(yǔ)權(quán)。

根據(jù)此前Wohlers的報(bào)告稱，在全球36家主要的金屬3D打印中，采用粉末床選區(qū)熔化技術(shù)為18家，采用定向能量沉積技術(shù)為8家，合計(jì)占比達(dá)到 72%。這里可以看出在金屬3D打印工藝中，技術(shù)路線上主要分為兩大類：粉末床熔合技術(shù)和定向能量沉積技術(shù)，今天我們就一起來(lái)聊聊它們的同與不同。

粉末床熔合技術(shù)（Powder Bed Fusion，PBF）

PBF在金屬3D打印中占比最高，超過(guò)了該技術(shù)的主要代表性工藝包括選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering, SLS），選擇性激光熔化（Selective Laser Melting，SLM），電子束選區(qū)熔化（Electron Beam Melting，EBM），直接金屬激光燒結(jié)（Direct Metal Laser-Sintering，DMLS），這些技術(shù)在工作原理上基本一致，差別主要在于所使用熱源的不同。

其中，SLS技術(shù)由美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的C.R. Dechard于1989年發(fā)明；SLM由德國(guó)弗勞恩霍夫研究所在1995年提出，并獲得原始專利；EBM是1994年由瑞典ARCAM公司所開(kāi)發(fā)；DMLS由快速產(chǎn)品創(chuàng)新 (RPI) 和EOS從1994年開(kāi)始聯(lián)合開(kāi)發(fā)。

直接能量沉積（Direct Energy Deposition，DED)

該技術(shù)包括激光、等離子、電子束幾種不同的熱源，材料包括粉末或絲狀兩種主要的形態(tài)。金屬材料在沉積過(guò)程中實(shí)時(shí)送入熔池，這類技術(shù)以激光近凈成型(Laser Engineered Net Shaping, LENS)、金屬直接沉積（Direct Metal Deposition，DMD）、電子束自由成形制造（Electron Beam Freeform Fabrication，EBF）、電弧熔絲增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing，WAAM）為代表。

在粉末床熔合PBF技術(shù)中，激光被作為最主要的熱源被廣泛使用。在本文中，我們將主要比較這兩種工藝：激光粉末床熔合 (L-PBF)和定向能量沉積 (DED)，包括它們的工藝原理，優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域和主要廠商。

工作原理

PBF技術(shù)的原理是將粉末材料均勻鋪在成形平臺(tái)上，然后用激光束或電子束作為熱源，按照軟件規(guī)劃的路徑照射并熔化粉末，熔化的粉末在冷卻過(guò)程中固化，逐層進(jìn)行鋪粉，熔化，固化的過(guò)程直到整個(gè)零件完成。這里需要指出的是，在激光粉末床熔融成型的過(guò)程中，粉末床往往需要置于惰性氣體（如氬氣）中，對(duì)于金屬材料來(lái)說(shuō)，這可以防止其在高溫環(huán)境下發(fā)生氧化；而在電子束粉末床熔融成型中，則需要高度真空的環(huán)境，如果存在氣體分子，電子束會(huì)與氣體分子發(fā)生碰撞，造成能量的損失和方向的改變。

打印完成后，必須讓其冷卻。然后去除周圍的松散金屬粉末以及打印支撐。最后，金屬零件經(jīng)過(guò)各種后處理后得到最終的成品。

就DED技術(shù)而言，我們可以把它當(dāng)作是擠壓和PBF的混合體。它通過(guò)噴粉或送絲的方式使材料進(jìn)入激光束、電子束等熱源的作用范圍。當(dāng)熱源離開(kāi)后，熔融的材料快速冷卻和凝固，與之前的沉積層形成一個(gè)整體。這樣的沉積過(guò)程逐層反復(fù)，最后完成構(gòu)件的打印。事實(shí)上，該技術(shù)成形出毛坯，然后通過(guò)CNC數(shù)控加工達(dá)到需要的精度。

與粉末床熔融成形類似，為了避免金屬在高溫下發(fā)生氧化，可以通過(guò)噴嘴送入惰性氣體，營(yíng)造出局部保護(hù)環(huán)境。

優(yōu)點(diǎn)和局限性

金屬粉末床熔合是生產(chǎn)可直接使用的最終零件的最廣泛使用的技術(shù)之一，DED不同，它更多地用于修復(fù)、涂層或添加定制零件。綜觀這兩種技術(shù)，兩者都有優(yōu)點(diǎn)和局限性。PBF的主要優(yōu)勢(shì)在于它可以制造出幾何復(fù)雜度高的零件。此外，當(dāng)與拓?fù)鋬?yōu)化相結(jié)合時(shí)，該技術(shù)可以用更少的材料制造更輕的金屬部件，這在汽車和航空航天等行業(yè)至關(guān)重要。

另一方面，DED技術(shù)非常適合加工具有高機(jī)械性能的大型金屬零件。DED 3D打印機(jī)由放置在多軸機(jī)械臂（可以有四個(gè)或五個(gè)）上的噴嘴組成，可實(shí)現(xiàn)高打印自由度和大打印量。就生產(chǎn)時(shí)間而言，打印速度高達(dá)5kg/h 的材料沉積工藝是最快的工藝之一。根據(jù)美國(guó)3D打印機(jī)制造商Optomec的說(shuō)法，DED比PBF 快10倍。這是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，但在零件精度方面也是一個(gè)缺點(diǎn)，因?yàn)楦叩拇蛴∷俣刃枰蟮膶雍穸龋ㄔ?到10毫米之間），因此零件的表面精度較低。另一方面，PBF具有非常薄的層（低至0.02毫米），激光逐點(diǎn)作用于零件，精度更高。

就零件尺寸而言，DED有利于生產(chǎn)大型產(chǎn)品，而粉末床融合的尺寸受到了密封室的限制。使用PBF制造的最大零件一般不超過(guò)1米，而DED可以制作幾米的大件。此外，這兩種技術(shù)都能節(jié)省材料。對(duì)于PBF，對(duì)于某些未加工的金屬粉末可以重復(fù)使用，因?yàn)樾路勰┛梢耘c舊粉末混合。另一方面，DED在其制造過(guò)程中使用的材料較少，盡管該過(guò)程確實(shí)需要機(jī)械加工技術(shù)來(lái)去除零件上的材料。與傳統(tǒng)的施工方法相比，這兩種技術(shù)都有助于減少?gòu)U料。

從更現(xiàn)實(shí)的角度來(lái)看，目前PBF技術(shù)并不適合大規(guī)模生產(chǎn)，因?yàn)榕cCNC加工相比，它的成本太高。因此，它更適合用于需要特定或定制幾何形狀的小批量生產(chǎn)。最后，與DED相比，PBF打印中使用的材料量對(duì)生產(chǎn)成本的影響更大。此外，使用材料沉積技術(shù)，無(wú)法生產(chǎn)具有復(fù)雜幾何形狀的零件，DED往往被用于形狀簡(jiǎn)單的零件。最后，這兩種技術(shù)通常還需要精加工的后處理步驟，增加了生產(chǎn)成本。

就材料而言，金屬粉末床熔合擁有廣泛的兼容材料，例如不銹鋼、鈷鉻合金、鋁、鈦、鉻鎳鐵合金和銅，也可以使用金、鉑和銀等貴金屬。許多粉末或細(xì)絲形式的金屬也可用于DED技術(shù)。與PBF技術(shù)不同，直接能量沉積通常允許使用所有可焊接材料，例如鈦和鈦合金、鉻鎳鐵合金、鉭、鎢、鈮、不銹鋼和鋁。

應(yīng)用領(lǐng)域

PBF技術(shù)往往被用于航空航天、汽車、醫(yī)藥甚至珠寶等要求苛刻的行業(yè)，是目前最為主要的金屬3D打印技術(shù)，應(yīng)用案例非常多，這里不做重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)。而對(duì)于DED技術(shù)，主要應(yīng)用包括大型零件的修復(fù)。以航空航天領(lǐng)域?yàn)槔湫偷膽?yīng)用案例是修理渦輪螺旋槳、閥門或各種工具。

PBF零件的精度和質(zhì)量也使其特別適合汽車行業(yè)的最終用途，將3D打印零件集成到汽車中，例如油分離器、底盤或發(fā)動(dòng)機(jī)部件。它還可以與貴金屬一起使用來(lái)制作珠寶或配飾。對(duì)于醫(yī)療領(lǐng)域，這項(xiàng)技術(shù)提供了為每個(gè)患者定制植入物的可能性，例如金屬顱骨植入物或牙冠。

與PBF一樣，DED工藝也用于醫(yī)療領(lǐng)域，以生產(chǎn)骨科植入物、手術(shù)器械和假肢。一些金屬，例如鈦或不銹鋼，甚至具有生物相容性。最后，材料沉積還用于各類部件的金屬保護(hù)涂層。這使得零件更硬，更耐腐蝕、防銹、耐化學(xué)品或耐候。

其他行業(yè)也受益于這些技術(shù)，例如石油和天然氣行業(yè)的壓力容器等應(yīng)用，可以用DED生產(chǎn)，以及海事和國(guó)防行業(yè)把它用于組件的生產(chǎn)。此外，在復(fù)雜零件的情況下，還可以以互補(bǔ)的方式使用這兩種技術(shù)，以便在最短的時(shí)間內(nèi)獲得盡可能精細(xì)的混合零件。比如，對(duì)于內(nèi)部幾何復(fù)雜度較高的零件，可以對(duì)內(nèi)部零件使用PBF，而對(duì)外部零件使用DED技術(shù)以加快生產(chǎn)速度。

主要廠商

如今，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多制造商都有生產(chǎn)銷售粉末床激光熔化金屬3D打印機(jī)。在國(guó)內(nèi)，可以看到西安鉑力特，湖南華曙高科，北京易加三維，廣東漢邦科技等，國(guó)外的德國(guó)EOS，SLM Solutions，英國(guó)雷尼紹Renishaw等。

專注于激光DED機(jī)器的國(guó)外制造商包括AddUp，該公司于2018年收購(gòu)了市場(chǎng)領(lǐng)先的DED機(jī)器制造商之一BeAM。Optomec也是領(lǐng)先企業(yè)之一，其專利LENS工藝于1998年推向市場(chǎng)。還有通過(guò)該工藝3D打印火箭的美國(guó)相對(duì)論公司Relativity Space，此外FormAlloy、MX3D、DMG Mori、InssTek和Meltio也值得一提。

國(guó)內(nèi)的代表企業(yè)包括江蘇永年激光、中科煜宸激光、武漢天昱智造、西安優(yōu)弧智熔、南京英尼格瑪等。除了都有哪些廠商外，大家或許還會(huì)關(guān)注設(shè)備的價(jià)格。事實(shí)上，DED和PB​​F 3D打印機(jī)價(jià)格都相對(duì)較高，一般在50萬(wàn)以上，甚至一些3D打印機(jī)可能高達(dá)近千萬(wàn)元。

總結(jié)

根據(jù)SmarTech報(bào)告稱，到2031年全球金屬3D打印零件市場(chǎng)將達(dá)到750億美元，這是一個(gè)非常具有潛力的市場(chǎng)。至于到底是選擇激光粉末床融合還是定向能量沉積，還是需要根據(jù)實(shí)際的需求來(lái)做判斷。總的來(lái)說(shuō)，各有利弊，但都是3D打印中的核心技術(shù)，誰(shuí)能真正掌握，未來(lái)就將擁有更多話語(yǔ)權(quán)。