金属增材制造技术路线

作者：格智学院 李海峰

审核：格智学院 迟科萌

全文2822字，阅读时长大约30分钟

从1984年第一个相关专利诞生，到2013年概念走红进入公众视野，时至今日增材制造（3D打印）技术，历经数十年的发展变迁，终于逐渐走向成熟和规范化。

然而早期标准缺失、高速发展和过度炒作的共同作用之下，不可避免的造成了信息冗杂混乱的现象：对增材制造技术的分类方法五花八门、同一种技术路线有5-6种甚至更多不同名称和定义等等，这无疑增加了人们对增材技术的理解难度，更是让不少行业新人感到眼花缭乱、一头雾水。

本文依据以下增材制造相关国际标准及国家标准，并参考汇总各类文献，对增材制造技术路线进行了重新梳理，着重对适用于金属增材的技术路线进行说明，旨在厘清概念、便利沟通，以促进行业的标准化和规范化发展。

ISO/ASTM52900:2021Additivemanufacturing-Generalprinciples—Fundamentalsand vocabulary

GB/T35351-2017增材制术语

GB/T35021-2018 增材制造工艺分类及原材料

增材制造定义

英文名称：Additive Manufacturing

英文缩写：AM

中文名称：增材制造

其他名称：快速原型、快速成形、快速制造、3D打印等

技术定义（ISO）：Process of joining materials to make parts from 3D model data, usually layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing and formative manufacturing methodologies

技术定义（GB/T）：以三维模型数据为基础，通过材料堆积的方式制造零件或实物的工艺。

增材制造技术分类

无论在ISO标准还是国标中，增材制造技术均被统一分为以下7大类：

Binder Jetting（BJT）

粘结剂喷射

原理图来源：国标GB/T35021-2018增材制造工艺分类及原材料

英文名称：Binder Jetting

英文缩写：BJT

中文名称：粘结剂喷射

技术定义（ISO）：Additive manufacturing process in which a liquid bonding agent is selectively deposited to join powder materials.

技术定义（GB/T）：选择性喷射沉积液态粘结剂粘结粉末材料的增材制造工艺。

技术细分（ISO）：

BJT-SSt：单步工艺

BJT-MSt：多步工艺

归属此类的常见增材技术（俗称）：BJAM, 3DP, CPJ等

该视频为BJT常见增材技术的一种-3DP

Directed Energy Deposition（DED）

定向能量沉积

原理图来源：国标GB/T35021-2018增材制造工艺分类及原材料

英文名称：Directed Energy Deposition

英文缩写：DED

中文名称：定向能量沉积

技术定义（ISO）：Additive manufacturing process in which focused thermal energy is used to fuse materials by melting as they are being deposited.

技术定义（GB/T）：利用聚焦热将材料同步熔化沉积的增材制造工艺。

技术细分（ISO）：

DED-LB：能量源为激光

DED-EB：能量源为电子束

DED-Arc：能量源为电弧

归属此类的常见增材技术（俗称）：LC, LENS, LMD, LDMD, LSF, EBDM, EBAM, EBF, WAAM等

该视频为DED常见增材技术的一种-LMD

Material Extrusion（MEX）

材料挤出

原理图来源：国标GB/T35021-2018增材制造工艺分类及原材料

英文名称：Material Extrusion

英文缩写：MEX

中文名称：材料挤出

技术定义（ISO）：Additive manufacturing process in which material is selectively dispensed through a nozzle or orifice.

技术定义（GB/T）：将材料通过喷嘴或孔口挤出的增材制造工艺。

技术细分（ISO）：

MEX-CRB：化学反应固结

MEX-TRB：热反应固结

归属此类的常见增材技术（俗称）：FDM, CFF等

该视频为MEX常见增材技术的一种-FDM

Material Jetting（MJT）

材料喷射

原理图来源：国标GB/T35021-2018增材制造工艺分类及原材料

英文名称：Material Jetting

英文缩写：MJT

中文名称：材料喷射

技术定义（ISO）：Additive manufacturing process in which droplets of feedstock material are selectively deposited.

技术定义（GB/T）：将材料以微滴的形式按需喷射沉积的增材制造工艺

技术细分（ISO）：

MJT-UV：紫外线照射固化

MJT-CRB：化学反应固结

MJT-TRB：热反应固结

归属此类的常见增材技术（俗称）：PJ, DOD, CMJ, NPJ等

该视频为MJT常见增材技术的一种-NPJ

Powder Bed Fusion（PBF）

粉末床熔融

原理图来源：国标GB/T35021-2018增材制造工艺分类及原材料

英文名称：Powder Bed Fusion

英文缩写：PBF

中文名称：粉末床熔融

技术定义（ISO）：Additive manufacturing process in which thermal energy sselectively fuses regions of a powder bed.

技术定义（GB/T）：通过热能选择性地熔化/烧结粉末床区域的增材制造工艺。

技术细分（ISO）：

PBF-LB：能量源为激光

PBF-EB：能量源为电子束

PBF-IrL：能量源为红外光

归属此类的常见增材技术（俗称）：SLM, SLF, EBSM, EBM, SLS等

该视频为PBF常见增材技术的一种-SLM

Sheet Lamination（SHL）

薄材叠层

原理图来源：国标GB/T35021-2018增材制造工艺分类及原材料

英文名称：Sheet Lamination

英文缩写：SHL

中文名称：薄材叠层

技术定义（ISO）：Additive manufacturing process in which sheets of material are bonded to form a part.

技术定义（GB/T）：将薄层材料逐层粘结以形成实物的增材制造工艺。

技术细分（ISO）：

SHL-AJ：粘结剂粘结

SHL-UC：超声波固结

归属此类的常见增材技术（俗称）：LOM, UAM等

该视频为SHL常见增材技术的一种-LOM

VAT photopolymerization（VPP）

立体光固化

原理图来源：国标GB/T35021-2018增材制造工艺分类及原材料

英文名称：VAT photopolymerization

英文缩写：VPP

中文名称：立体光固化

技术定义（ISO）：Additive manufacturing process in which liquid photopolymer in a vat is sselectively cured by light-activated polymerization.

技术定义（GB/T）：通过光致聚合作用选择性地固化液态光敏聚合物的增材制造工艺。

技术细分（ISO）：

VPP-UVL：紫外激光束曝光固化

VPP-UVM：通过选择性地透过掩模照射紫外线进行固化

VPP-LED：通过发光二极管的光曝光进行固化

归属此类的常见增材技术（俗称）：SLA, MJP, TPP, VAM, DLP, CLIP, LCD等

该视频为VPP常见增材技术的一种-SLA

金属增材技术路线及成熟度

从标准中对增材制造技术分类的定义来看，7大类增材制造技术是从技术原理层面进行区分，并没有明确的划分金属或非金属增材技术。那么，适用于金属的增材技术路线有哪些呢？

下图是基于Ampower出版的金属增材技术路线图，对常见的金属增材技术路线依据标准中的分类进行了标注。我们不难发现，事实上， 7大类增材制造技术均可用于金属材料增材，而其中以属于PBF和DED两类的技术路线最多。

“技术就绪指数”(Technology Readiness Level，缩写“TRL”)，也称为“技术备便水平”，是一种衡量技术发展 (包括材料、零件、设备等) 成熟度的指标，与1970-1980年代被NASA发展起来，后来被推广到美国国防部、美国能源部、欧洲航天局等美国联邦政府的机构及国际公司所使用。TRL评估等级分9个等级，9级代表技术最成熟，而6级则是代表进入航空航天领域应用的准入门槛。在NASA工程师发表的相关文献中指出， PBF-LB已达到TRL9，而PBF-EB, DED-LB, DED-EB, DED-Arc等技术成熟度均已达到TRL6或以上。

Ampower也开发了一个基于两个指数的模型来表征增材制造技术的成熟度。其中，技术成熟度指数评估了工艺能力、系统可靠性和可用性，并实施了质量控制措施；工业化指数评估已安装的系统基础、供应链、材料可用性、公众知识和研究以及每种技术的标准化。每个类别都根据其具体重要性进行加权。通常，技术成熟度首先增加，工业化随之而来。基于A mpower发布的2022金属增材成熟度指数，我们也可以看出， 在金属增材的技术中，目前最成熟的是PBF和DED技术，均达到了工业化应用的程度。而从当前的市场规模数据来看，也印证了这一结论，2021年全球金属增材设备销售额达到9.9亿欧元，其中PBF已实现大规模工业应用占总份额83.8%，DED也已进入工业化应用占9.1%。

主流金属增材技术对比（预告）

为了更深入的了解金属增材技术原理、应用场景、优势与局限性，等等，下期我们将综合权威文献中的研究内容，对成熟度最高的PBF-LB, PBF-EB, DED-LB,DED-EB, DED-Arc五种金属增材技术路线从增材尺寸、效率、适用材料、零件复杂度、精度、成本、性能、后处理、技术成熟度等维度进行对比，以期为金属增材制造设计和工艺选择提供参考依据。