PBF与DED：您应该选择哪种金属3D打印工艺？(深度) 未知大陆-数字制造云平台

PBF与DED：您应该选择哪种金属3D打印工艺？(深度)

2023-03-16浏览量：108

在增材制造中，金属与塑料一样是使用最广泛的材料之一。这种材料的特性使其适用于要求最苛刻的市场，包括高性能应用。在本文中，我们比较了两种主要的金属3D打印工艺：激光粉末床熔合 (L-PBF) 和定向能量沉积 (DED)。我们将研究每种技术的特性、最常见的应用和领先的制造商，突出它们的异同。

首先简要介绍一下，PBF 包含几种涉及使用粉末床的增材制造工艺，无论是塑料、陶瓷还是金属。您可能已经猜到了，今天我们将重点关注金属。这个过程可以使用激光或电子束作为能源，例如电子束熔化（EBM），由制造商Arcam于2002年推出。但是，为了更直接地比较，我们将只关注以下过程：使用激光作为热源。根据不同制造商的名称，该过程也有其他名称，例如 DMLS，这是金属3D打印领域的领导者 EOS 于 1994 年获得专利的术语。该首字母缩写词来自德语“Direkt Metall Laser Schmelzen”，翻译成英文为直接金属激光熔化。它也可以称为 SLM for Selective Laser Melting，这是弗劳恩霍夫研究所于 1995 年引入的术语。

PBF过程

相比之下，DED 是一种比其他金属粉末床技术更新的方法。它知名的时间更长，但直到最近十年才真正发挥作用。该工艺使用粉末或线材形式的材料，在直接沉积到零件上的同时通过直接能源熔化。该工艺以其修复和/或涂覆大型金属物体的能力而闻名。 DED 技术可以使用不同的能源，例如激光、等离子或电子束。例如，WAAM（Wire Arc Additive Manufacturing）技术就属于这一类。因此，比较 PBF 和 DED 过程并不容易，因为它们是两种截然不同的技术。因此，我们将尝试了解它们是如何工作的、它们有何不同以及它们如何互补。

金属PBF和DED如何工作？

两者之间最大的相似之处之一在于3D打印中必须发生的一些设定步骤。值得注意的是，3D打印过程总是从使用 CAD 软件创建待打印对象的3D模型开始。然后切片机以数字方式逐层切割零件。

现在让我们从 PBF 开始：用惰性气体加热腔室以达到理想温度（对于 EBM 工艺，这必须在真空中进行）。然后在板上涂上一层薄薄的粉末，同时将其加热到约 300/400°C 的温度。然后，激光有选择地熔化金属颗粒并将其固化。一层完成后，托盘向下移动，允许添加另一层粉末。重复该过程，直到获得成品零件。

准备好后，必须让其冷却。然后去除周围的松散金属粉末以及 PBF 几乎总是需要的印刷支撑。强烈建议使用它们，尤其是第一层，以在不影响零件的最终几何形状和属性的情况下将零件固定在印刷板上。最后，金属零件经过各种后处理过程，我们将在专门的部分中详细介绍。

就 DED 而言，它可以被认为是挤压和 PBF 的混合体。事实上，这项技术制造的零件具有集中的能源来熔化材料。打印头被送入粉末或金属丝，喷嘴逐层沉积所用金属。金属在离开喷嘴时熔化到要修复的底座或部件上。重复该过程，直到达到先前通过 CAD 软件设计的3D模型。

用激光进行DED工艺

DED 3D打印机是工业机器，可以使用三种可能的能源：激光、电子束和等离子。根据所选能源的类型，3D打印机将拥有不同的环境。请注意，大多数DED机器都是大型工业机器，需要封闭且受控的结构才能运行。对于激光系统，活性金属需要一个完全惰性的腔室。这需要大量的气体和时间才能达到所需的氧气水平。对于电子束，该过程必须在真空中进行，以避免电子与空气分子相互作用或被空气分子偏转。最后，当使用等离子体作为能源时，材料在惰性氩气环境中精确熔化。该过程每秒被监控 600 多次以确保质量。

PBF和DED的优点和局限性

金属粉末床熔合是生产可直接使用的最终零件的最广泛使用的技术之一，与 DED 不同，后者更多地用于修复、涂层或添加定制零件。综观这两种技术，两者都有优点和局限性。金属激光融合的主要优势在于它可以制造出几何复杂度高的零件。此外，当与拓扑优化相结合时，该技术可以用更少的材料制造更轻的金属部件，这在汽车和航空航天等行业至关重要。

另一方面，DED 技术非常适合加工具有高机械性能的大型金属零件。 DED 3D打印机由放置在多轴机械臂（可以有四个或五个）上的喷嘴组成，可实现高打印自由度和大打印量。就生产时间而言，打印速度高达 5 kg/h 的材料沉积工艺是最快的工艺之一。根据美国3D打印机制造商 Optomec 的说法，DED 比 PBF 快 10 倍。这是一个优点，但在零件精度方面也是一个缺点，因为更高的打印速度需要更大的层厚度（在 5 到 10 毫米之间），因此零件的渲染精度较低。另一方面，PBF 具有非常薄的层（低至 0.02 毫米），激光逐点作用于零件，这会延长生产时间但会提高细节水平。

拓扑优化可使3D打印金属部件更轻

就零件尺寸而言，DED 有利于生产大型产品，其中粉末床融合受板尺寸限制。应该注意的是，可以使用 PBF 制造的最大零件不大于一米，而 DED 提供了在几米的大表面上工作的可能性。然而，这两种技术都具有环境优势。对于融合，在某些情况下，对于某些金属，未加工的粉末可以重复使用，因为新粉末可以与旧粉末混合。另一方面，DED 在其制造过程中使用的材料较少，尽管该过程确实需要机械加工技术来去除零件上的材料。尽管如此，与传统的施工方法相比，这两种技术都有助于减少废物。

从更“实际”的角度来看，PBF 技术不适合大规模生产，因为与 CNC 加工相比，它的成本太高。因此，它更适合用于需要特定或定制几何形状的小批量生产，例如假牙。最后，与 DED 相比，PBF 打印中使用的材料量对生产成本的影响也更大。至于材料沉积技术的局限性，它不允许生产具有复杂几何形状的零件。 DED 将用于形状简单的零件。然而，组件的大尺寸也会对价格产生影响。机器本身的成本非常高，即使该过程仍然比 PBF 便宜。最后，这两种技术还需要进行大量增加成本的后处理步骤。我们将在本文后面更详细地讨论这个问题。

采用DED技术的3D打印火箭

以金属为主要材料

材料的选择对这两种技术都有重大影响，因为它代表了每个过程的主要成本。对于 PBF，腔室需要充满金属粉末来打印零件，而对于 DED，零件越大，需要的材料就越多。

总的来说，激光融合提供了广泛的兼容金属选择，但有些金属至今仍然不兼容，例如非常适合焊接的高碳钢或高硅铝。当需要特定材料时，这可能是一个限制因素。然而，该工艺可以使用金属和合金，例如不锈钢、钴铬合金、铝（主要用于航空航天和汽车工业）、钛（特别适用于医疗领域）、铬镍铁合金和铜。也可以使用金、铂和银等贵金属。对于 DED 技术，可以在金属和陶瓷之间进行选择；这里我们主要关注前者。事实上，陶瓷很少被使用，因为它们实施起来很复杂并且只与激光能源兼容。

目前与这些工艺兼容的金属种类繁多

许多粉末或细丝形式的金属也可用于 DED 技术。与 PBF 技术不同，直接能量沉积通常允许使用所有可焊接材料，例如钛和钛合金、铬镍铁合金、钽、钨、铌、不锈钢和铝。在这种情况下，重要的是熔化温度高于腔室温度，因此该过程需要对每种材料进行不同且受控的程度。

PBF和DED的应用

这两种技术都可以用于广泛的应用和领域。这两种工艺之间的主要区别在于粉末沉积和激光处理的方式，以及这些工艺的用途。在 PBF 技术的情况下，它们用于航空航天、汽车、医药甚至珠宝等要求苛刻的行业。

例如，对于 DED 技术，主要应用包括大型零件的修复。如果我们以航空航天领域为例，典型的应用示例是修理涡轮螺旋桨、阀门或各种工具。也可以使用不同的粉末或将材料（例如钢和铸铝）结合起来以焊接电动机电池。然而，PBF 技术不允许加入粉末，因为它们会混合并且无法使用。然而，航空航天业仍然可以从其优势中受益，特别是对于复杂的定制零件或端件的生产。

PBF 零件的精度和质量也使其特别适合汽车行业的最终用途，将3D打印零件集成到汽车中，例如油分离器、底盘或发动机部件。如上所述，它还可以与贵金属一起使用来制作珠宝或配饰。对于医疗领域，这项技术提供了为每个患者定制的详细植入物的可能性，例如金属颅骨植入物或牙冠。

PBF技术使定制医疗植入物的生产成为可能

与 PBF 一样，DED 工艺也用于医疗领域，以生产骨科植入物、手术器械和假肢。一些金属，例如钛或不锈钢，甚至具有生物相容性。这意味着它们可以被植入体内而没有免疫系统过敏反应的风险。最后，材料沉积还用于各类部件的金属保护涂层。这使得零件更硬，更耐腐蚀、防锈、耐化学品或耐候。

其他行业也受益于这些技术，例如石油和天然气行业的压力容器等应用，可以用 DED 生产，以及海事和国防行业，例如用于组件的生产。此外，在复杂零件的情况下，可以以互补的方式使用这两种技术，以便在最短的时间内获得尽可能详细的混合零件。例如，正如 Irepa Laser 增材制造应用和开发经理 Didier Boisselier 所解释的那样，Irepa Laser 为国防部门生产了一种混合金属部件。该零件内部几何复杂度高，需要对内部零件使用PBF，而对外部零件使用DED技术来加快处理速度。

DED用于具有简单几何形状的部件

后处理的不同阶段

虽然采用这两种技术制造的零件提供了高性能零件，即可以通过最严苛测试的超级合金产品，但要达到这样的结果，这两种工艺都需要更多的后处理步骤，这也增加了成本。例如，表面光洁度很重要，尽管程度不同。事实上，在 PBF 的情况下，有必要对表面进行处理以使其更光滑，因为零件看起来有颗粒感。使用 DED，您将获得表面不完美的零件，因为材料在挤压过程中直接熔化。因此，CNC 加工步骤始终是获得更明确和光滑的表面所必需的。

此外，金属在这两个过程中的快速加热和冷却都会导致内应力的积累。热处理可以减轻这些应力，提高硬度、延伸率、疲劳强度等机械性能。对于金属激光熔合，需要去除多余的粉末和基体。这可以手动、机械或通过电火花线切割完成。接下来是表面精加工，其中可以添加抛光或 CNC 工艺以提高零件的美感。

对于 DED，铣削 (CNC) 零件是完成零件的重要步骤。由于零件尺寸大，这很耗时并且需要大量投资。一般来说，后处理金属零件最常用的技术是热等静压 (HIP)，它可以去除任何残留的内部微孔并完全固化零件，以及退火，这是一种用于提高零件机械性能的热处理选项将其加热到高温，然后迅速冷却。金属的表面处理方法包括干法电解抛光、喷砂等。

必须移除3D打印支架

应该记住，对于 DED 和 PBF，不可能定义一个单一的后处理过程，这将取决于零件的尺寸、使用的金属（例如，钛等材料需要特定的、甚至更昂贵的处理），生产的零件类型和每个特定行业所需的规格。

主要厂商

如今，许多制造商都提供粉末床激光熔化机。在主要厂商中，我们可以提到金属 3D 打印领域的主要参与者 EOS，如今它仍然是 DMLS 3D 打印机的主要制造商之一。我们不要忘记 3D Systems，它于 2013 年收购了法国品牌 Phenix Systems，以扩展到金属增材制造领域。它的过程被称为 DMP for Direct Metal Printing。其他提供金属激光融合打印机的公司包括英国公司 Renishaw 或德国制造商 SLM Solutions——尽管这份清单并不详尽。

专注于激光 DED 机器的制造商包括 AddUp，该公司于 2018 年收购了市场领先的 DED 机器制造商之一 BeAM。该公司还提供两种 L-PBF 解决方案。 American Optomec 也是领先企业之一，其专利 LENS 工艺于 1998 年推向市场。如今，该公司拥有不少于七种解决方案。制造商 FormAlloy、DMG Mori、InssTek、Relativity 和 Meltio 也值得一提。后者声称提供市场上最便宜的 DED 机器。最后，其他公司提供这两种解决方案，例如德国公司 Trumpf 或意大利公司 Prima Additive，后者为铜和反射金属提供双激光或绿激光选项。虽然还有很多。

价格

如前所述，DED和PBF 3D打印机之间的价格很高，但并不相同。事实上，定向能量沉积工艺可以被认为比粉末床融合工艺便宜大约 5 倍。虽然很难给出确切的数字。制造商不会在线披露其产品的价格，成本可能会因用户操作3D打印机的方式而异。它还取决于买家是否也想从后处理解决方案或特定材料中受益。无论如何，很难在该类别中找到一台价格低于 80,000 美元的金属机器。一些3D打印机甚至可能高达近 1,000,000 美元。谈到粉末床激光聚变解决方案，起价可达 200,000 美元。考虑 3D Systems 的 DMP Flex 350，估计约为 575,000 美元，或 DMP Factory 350，最高可达 763,000 美元。对于 DED 系统，当考虑更复杂的解决方案时，价格可能会大幅上涨，例如 DMG MORI 的 LASERTEC 6600 DED 混合机床，它将 DED 技术和减材加工结合到一个解决方案中。它的估计成本是最高的之一，在150 到 300 万美元之间。

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