基于金属丝的金属3D打印技术发展现状与前景

    近日，澳大利亚卧龙岗（Wollongong）大学机械、材料与机电工程学院的一组研究人员在《Advanced Manufacturing Technology（先进制造技术）》杂志上发表了一篇文章，认为基于金属线的技术可能是金属3D打印技术未来的发展方向。

    在文章中，作者们对于基于金属线的先进制造技术进行了整体评估，着眼于这方面的技术目前面临所面临的挑战，以及探讨未来研究的可能方向。他们认为，目前对于基于金属丝的增材制造工艺的研究相当缺乏，很多人更加关注的是基于粉末床的金属增材制造技术。所谓的基于金属丝的金属3D打印技术指的是像FDM技术那样，通过熔化沉积熔化的金属线生成3D对象的技术。

    使用基于金属线的气体金属弧焊（GMAW）技术增材制造的各种金属部件

    这篇文章一开始就列举了金属线3D打印技术（以下简称金属线技术）的一些优点，比如基于金属粉末的技术由于其低沉积速率使得他们不太适于打印中到大型金属部件；此外，由于金属线技术的材料使用效率更高（接近100％），这就使该技术的材料成本更低，而且更加环保。基于这些原因，他们认为，有必要对于金属线技术进行更加深入的研究。

    不过，尽管其非常有前途，但是金属线技术也不是没有问题，它在生产一些比较复杂的金属部件方面有一定的局限性，必须加以解决。目前，使用金属线技术3D打印的零部件具有类似FDM技术那样的表面光洁度差、精确度差的缺陷。

    在这篇文章里，研究人员根据金属线技术所采用的能量来源（激光、电弧焊和电子束）不同将其分为了三类。每种类型都有其长处和短处，作者从效率、能源和材料等方面对其进行了深入的对比分析。其中最有趣的一种是由美国宇航局（NASA）申请专利的电子束无模成形（EBF，Electron Beam Freeform）技术，这一技术可以用来构建复杂的、接近最终形状的对象。据天工社了解，该技术使用的材料显著较少，而且与传统的方法相比，需要的精加工工作量也更少。

EBF技术的原理是使用聚焦电子束将原料（金属丝）在高真空环境中熔成熔池。该技术的3D打印速率或者金属的沉积速度可以达到惊人的2500毫升/小时，而且沉积速度越低，其打印的精细度就越高。此外，其3D打印的精细度还与作为原料的金属丝直径有关，金属丝越细，获得的精细度就越高。

EBF系统部件的示意图

该文章中介绍的每个技术都包括了其优势和缺点。不过作者把更多的注意力放在了如何解决金属丝技术目前的不足。尤其是对于以电弧焊为热源的金属丝技术，如何解决对于残余应力的控制和变形问题，对于该技术在大型金属对象的打印应用非常重要。

（一）通过基于金属线的LAM技术制成的沉积样品；（二）由混合层积制造（HLM）生产的厚壁结构；（三）近净成形的模具对；（四）HLM技术完成的模具对

    对于金属丝技术而言，其未来的发展和应用前景有赖于原材料（金属丝）质量的提高、改进打印过程中的监测和过程控制技术、以及引入更为有效的铣削策略等。作者对所有这些领域进行了简要地介绍，以及根据他们的设想上述技术的改进对于金属丝未来的功能改善可能产生的影响。

    使用金属丝WAAM工艺生产的壁结构在在沉积方向上出现的偏斜。