更深入了解3D打印，依照國際、國家標(biāo)準(zhǔn) ，重新梳理增材制造技術(shù)路線

來源：格智學(xué)院
作者：格智學(xué)院 李海峰

從1984年第一個(gè)相關(guān)專利誕生，到2013年概念走紅進(jìn)入公眾視野，時(shí)至今日增材制造（3D打�。┘夹g(shù)，歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展變遷，終于逐漸走向成熟和規(guī)范化。

然而早期標(biāo)準(zhǔn)缺失、高速發(fā)展和過度炒作的共同作用之下，不可避免的造成了信息冗雜混亂的現(xiàn)象：對增材制造技術(shù)的分類方法五花八門、同一種技術(shù)路線有5-6種甚至更多不同名稱和定義等等，這無疑增加了人們對增材技術(shù)的理解難度，更是讓不少行業(yè)新人感到眼花繚亂、一頭霧水。

本文依據(jù)以下增材制造相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)及國家標(biāo)準(zhǔn)，并參考匯總各類文獻(xiàn)，對增材制造技術(shù)路線進(jìn)行了重新梳理，著重對適用于金屬增材的技術(shù)路線進(jìn)行說明，旨在厘清概念、便利溝通，以促進(jìn)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化發(fā)展。

ISO/ASTM52900:2021Additivemanufacturing-Generalprinciples—Fundamentalsand vocabulary
GB/T35351-2017增材制術(shù)語
GB/T35021-2018 增材制造工藝分類及原材料

增材制造定義
英文名稱：Additive Manufacturing
英文縮寫：AM
中文名稱：增材制造
其他名稱：快速原型、快速成形、快速制造、3D打印等
技術(shù)定義（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
技術(shù)定義（GB/T）：以三維模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過材料堆積的方式制造零件或?qū)嵨锏墓に嚒?br />

增材制造技術(shù)分類
無論在ISO標(biāo)準(zhǔn)還是國標(biāo)中，增材制造技術(shù)均被統(tǒng)一分為以下7大類：

Binder Jetting（BJT）粘結(jié)劑噴射

原理圖來源：國標(biāo)GB/T35021-2018增材制造工藝分類及原材料
英文名稱：Binder Jetting
英文縮寫：BJT
中文名稱：粘結(jié)劑噴射
技術(shù)定義（ISO）：Additive manufacturing process in which a liquid bonding agent is selectively deposited to join powder materials.
技術(shù)定義（GB/T）：選擇性噴射沉積液態(tài)粘結(jié)劑粘結(jié)粉末材料的增材制造工藝。
技術(shù)細(xì)分（ISO）：
BJT-SSt：單步工藝
BJT-MSt：多步工藝
歸屬此類的常見增材技術(shù)（俗稱）：BJAM, 3DP, CPJ等

△該視頻為BJT常見增材技術(shù)的一種-3DP

Directed Energy Deposition（DED）定向能量沉積

原理圖來源：國標(biāo)GB/T35021-2018增材制造工藝分類及原材料
英文名稱：Directed Energy Deposition
英文縮寫：DED
中文名稱：定向能量沉積
技術(shù)定義（ISO）：Additive manufacturing process in which focused thermal energy is used to fuse materials by melting as they are being deposited.
技術(shù)定義（GB/T）：利用聚焦熱將材料同步熔化沉積的增材制造工藝。
技術(shù)細(xì)分（ISO）：
DED-LB：能量源為激光
DED-EB：能量源為電子束
DED-Arc：能量源為電弧
歸屬此類的常見增材技術(shù)（俗稱）：LC, LENS, LMD, LDMD, LSF, EBDM, EBAM, EBF, WAAM等

△該視頻為DED常見增材技術(shù)的一種-LMD

Material Extrusion（MEX）材料擠出

原理圖來源：國標(biāo)GB/T35021-2018增材制造工藝分類及原材料
英文名稱：Material Extrusion
英文縮寫：MEX
中文名稱：材料擠出
技術(shù)定義（ISO）：Additive manufacturing process in which material is selectively dispensed through a nozzle or orifice.
技術(shù)定義（GB/T）：將材料通過噴嘴或孔口擠出的增材制造工藝。
技術(shù)細(xì)分（ISO）：
MEX-CRB：化學(xué)反應(yīng)固結(jié)
MEX-TRB：熱反應(yīng)固結(jié)
歸屬此類的常見增材技術(shù)（俗稱）：FDM, CFF等

△該視頻為MEX常見增材技術(shù)的一種-FDM

Material Jetting（MJT）材料噴射

原理圖來源：國標(biāo)GB/T35021-2018增材制造工藝分類及原材料
英文名稱：Material Jetting
英文縮寫：MJT
中文名稱：材料噴射
技術(shù)定義（ISO）：Additive manufacturing process in which droplets of feedstock material are selectively deposited.
技術(shù)定義（GB/T）：將材料以微滴的形式按需噴射沉積的增材制造工藝
技術(shù)細(xì)分（ISO）：
MJT-UV：紫外線照射固化
MJT-CRB：化學(xué)反應(yīng)固結(jié)
MJT-TRB：熱反應(yīng)固結(jié)
歸屬此類的常見增材技術(shù)（俗稱）：PJ, DOD, CMJ, NPJ等

△該視頻為MJT常見增材技術(shù)的一種-NPJ

Powder Bed Fusion（PBF）粉末床熔融

原理圖來源：國標(biāo)GB/T35021-2018增材制造工藝分類及原材料
英文名稱：Powder Bed Fusion
英文縮寫：PBF
中文名稱：粉末床熔融
技術(shù)定義（ISO）：Additive manufacturing process in which thermal energy sselectively fuses regions of a powder bed.
技術(shù)定義（GB/T）：通過熱能選擇性地熔化/燒結(jié)粉末床區(qū)域的增材制造工藝。
技術(shù)細(xì)分（ISO）：
PBF-LB：能量源為激光
PBF-EB：能量源為電子束
PBF-IrL：能量源為紅外光
歸屬此類的常見增材技術(shù)（俗稱）：SLM, SLF, EBSM, EBM, SLS等

△該視頻為PBF常見增材技術(shù)的一種-SLM

Sheet Lamination（SHL）薄材疊層

原理圖來源：國標(biāo)GB/T35021-2018增材制造工藝分類及原材料
英文名稱：Sheet Lamination
英文縮寫：SHL
中文名稱：薄材疊層
技術(shù)定義（ISO）：Additive manufacturing process in which sheets of material are bonded to form a part.
技術(shù)定義（GB/T）：將薄層材料逐層粘結(jié)以形成實(shí)物的增材制造工藝。
技術(shù)細(xì)分（ISO）：
SHL-AJ：粘結(jié)劑粘結(jié)
SHL-UC：超聲波固結(jié)
歸屬此類的常見增材技術(shù)（俗稱）：LOM, UAM等

△該視頻為SHL常見增材技術(shù)的一種-LOM

VAT photopolymerization（VPP）立體光固化

原理圖來源：國標(biāo)GB/T35021-2018增材制造工藝分類及原材料
英文名稱：VAT photopolymerization
英文縮寫：VPP
中文名稱：立體光固化
技術(shù)定義（ISO）：Additive manufacturing process in which liquid photopolymer in a vat is sselectively cured by light-activated polymerization.
技術(shù)定義（GB/T）：通過光致聚合作用選擇性地固化液態(tài)光敏聚合物的增材制造工藝。
技術(shù)細(xì)分（ISO）：
VPP-UVL：紫外激光束曝光固化
VPP-UVM：通過選擇性地透過掩模照射紫外線進(jìn)行固化
VPP-LED：通過發(fā)光二極管的光曝光進(jìn)行固化
歸屬此類的常見增材技術(shù)（俗稱）：SLA, MJP, TPP, VAM, DLP, CLIP, LCD等

△該視頻為VPP常見增材技術(shù)的一種-SLA

金屬增材技術(shù)路線及成熟度

從標(biāo)準(zhǔn)中對增材制造技術(shù)分類的定義來看，7大類增材制造技術(shù)是從技術(shù)原理層面進(jìn)行區(qū)分，并沒有明確的劃分金屬或非金屬增材技術(shù)。那么，適用于金屬的增材技術(shù)路線有哪些呢？

下圖是基于Ampower出版的金屬增材技術(shù)路線圖，對常見的金屬增材技術(shù)路線依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的分類進(jìn)行了標(biāo)注。我們不難發(fā)現(xiàn)，事實(shí)上，7大類增材制造技術(shù)均可用于金屬材料增材，而其中以屬于PBF和DED兩類的技術(shù)路線最多。

“技術(shù)就緒指數(shù)”(Technology Readiness Level，縮寫“TRL”)，也稱為“技術(shù)備便水平”，是一種衡量技術(shù)發(fā)展 (包括材料、零件、設(shè)備等) 成熟度的指標(biāo)，與1970-1980年代被NASA發(fā)展起來，后來被推廣到美國國防部、美國能源部、歐洲航天局等美國聯(lián)邦政府的機(jī)構(gòu)及國際公司所使用。TRL評估等級分9個(gè)等級，9級代表技術(shù)最成熟，而6級則是代表進(jìn)入航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的準(zhǔn)入門檻。在NASA工程師發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)中指出，PBF-LB已達(dá)到TRL9，而PBF-EB, DED-LB, DED-EB, DED-Arc等技術(shù)成熟度均已達(dá)到TRL6或以上。

Ampower也開發(fā)了一個(gè)基于兩個(gè)指數(shù)的模型來表征增材制造技術(shù)的成熟度。其中，技術(shù)成熟度指數(shù)評估了工藝能力、系統(tǒng)可靠性和可用性，并實(shí)施了質(zhì)量控制措施；工業(yè)化指數(shù)評估已安裝的系統(tǒng)基礎(chǔ)、供應(yīng)鏈、材料可用性、公眾知識和研究以及每種技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化。每個(gè)類別都根據(jù)其具體重要性進(jìn)行加權(quán)。通常，技術(shù)成熟度首先增加，工業(yè)化隨之而來�；�于Ampower發(fā)布的2022金屬增材成熟度指數(shù)，我們也可以看出，在金屬增材的技術(shù)中，目前最成熟的是PBF和DED技術(shù)，均達(dá)到了工業(yè)化應(yīng)用的程度。而從當(dāng)前的市場規(guī)模數(shù)據(jù)來看，也印證了這一結(jié)論，2021年全球金屬增材設(shè)備銷售額達(dá)到9.9億歐元，其中PBF已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用占總份額83.8%，DED也已進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用占9.1%。

主流金屬增材技術(shù)對比
為了更深入的了解金屬增材技術(shù)原理、應(yīng)用場景、優(yōu)勢與局限性，等等，英尼格瑪將綜合權(quán)威文獻(xiàn)中的研究內(nèi)容，對成熟度最高的PBF-LB, PBF-EB, DED-LB,DED-EB, DED-Arc五種金屬增材技術(shù)路線從增材尺寸、效率、適用材料、零件復(fù)雜度、精度、成本、性能、后處理、技術(shù)成熟度等維度進(jìn)行對比，以期為金屬增材制造設(shè)計(jì)和工藝選擇提供參考依據(jù)。

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