金属增材制造技术有哪些

当你看到飞机发动机中那轻盈却坚固的喷嘴组件，或者医生手术台上量身定制的骨科植入物，你是否想过，这些精密又复杂的金属构件，可能并不是“削”出来的，而是“长”出来的？这正是金属增材制造技术，也就是我们常说的金属3D打印，它颠覆了传统减材制造的逻辑，从无到有、从点到面地构建出复杂的金属结构。

在过去三十年里，这项技术以惊人的速度从实验室走向工厂车间，成为航空航天、医疗、汽车乃至能源等关键行业的革新利器。那么，它到底包含了哪些核心技术？每种技术又适合什么样的应用场景？哪家公司已经实现了突破？

第一种技术：定向能量沉积（DED）
20世纪90年代初，在激光、电子束等高能束技术日渐成熟的背景下，定向能量沉积（DED）应运而生。它的核心思路是在熔池中边加粉边成型，像拿着喷枪一点点地“画”出一个金属构件。

DED有两个关键优势：第一，能制造大型、结构复杂的零部件；第二，它支持材料梯度制造与零部件再制造，极具工程价值。例如，沈阳飞机设计研究所和北航合作开发的激光成形技术，已经成功应用于大型钛合金部件的快速制造和修复，被认为是中国在DED领域的重要突破。

在工业界，美国的Optomec、DM3D、国内的华中科技大学与北航是这一领域的代表性玩家。如今，这项技术不仅出现在航空钛结构，还深入到模具修复与高强钢构件制造等多个领域。

第二种技术：粉末床熔融（PBF）
如果说DED像“喷绘”，那粉末床熔融（PBF）更像是“叠层雕刻”。这种方法将一层层金属粉末均匀铺开，通过激光或电子束对截面区域逐层熔化，逐步“雕刻”出零件。早在1979年，Housholder提出了铺粉+局部加热的构想；1986年，美国DTM公司正式商业化SLS技术，1995年德国Fraunhofer激光研究所进一步发展出了SLM（选择性激光熔化）工艺。

如今PBF已成为高精密制造的主力军，能制造接近致密度100%的复杂金属零件。它的主要细分有SLM（激光选区熔化）和SEBM（电子束选区熔化）。代表性企业包括德国的EOS、SLM Solutions、瑞典的Arcam，以及中国的隆源装备与中科煜宸。

应用领域从航空发动机叶片到植入医疗器械，再到高精模具制造，应有尽有。比如，GE利用SLM技术将喷油喷嘴从20多个零件整合为一个整体，重量减轻25%，寿命提升5倍，成为金属3D打印商业化的经典案例。

第三种技术：粘结剂喷射（Binder Jetting）
与前两种“熔化类”工艺不同，粘结剂喷射技术采用“非熔融”方式：在金属粉末床上通过喷头选择性喷射粘结剂，形成零件形状后再经后处理烧结实现致密化。
这一工艺的核心优势在于“速度快、成本低”，打印效率远高于SLM和DED，非常适合批量制造中小型金属部件。当前，HP、ExOne 和 Desktop Metal 等公司已成为该领域的代表性设备厂商。

尤其在汽车、工具和工业零部件领域，Binder Jetting 被视为最有希望实现金属3D打印大规模生产化的工艺路线。例如，福特公司已在尝试将该技术用于复杂水泵壳体的快速生产。

第四种技术：冷喷涂（Cold Spray）
如果说前几种技术靠的是高温熔化，冷喷涂则走的是“冷加工”路线。其原理是在高压气体驱动下，将金属颗粒以超音速喷射到基体上，利用冲击力直接堆积成形。这种工艺保留了材料的本征性能，适合制造对热敏感的金属结构。

虽然其分辨率不如SLM，但在航空维修、结构加固等应用中独具优势。比如，俄罗斯和澳大利亚的一些研究机构已经使用冷喷涂技术成功修复钛合金机翼结构，并保持了高强度性能。

第五种技术：薄材叠层（Sheet Lamination）
这是一种相对冷门但并非无用的技术，起源于早期的叠层制造思路。通过对金属箔材逐层裁剪、粘接、压合，形成近似零件轮廓，再通过加工提升精度。这项技术适用于结构简单、形状规则的金属件快速建模。

虽然在金属领域应用有限，但在特定场景下（如夹具、模具骨架）仍然存在一定市场。代表企业有美国的Fabrisonic等。

各项技术的交汇与趋势
今天的金属增材制造不再是单一工艺的角力，而是多种技术并行、融合发展：DED 的“修复+定制”在高端装备制造中大显身手，PBF 的“高精+批量”正在驱动医疗与航天构件快速普及，而Binder Jetting 则努力向中低成本大批量制造迈进。

更重要的是，这些金属增材制造技术的持续进化，正不断降低制造门槛、提升零件性能。例如，Nature 杂志曾报道SLM打印的316L不锈钢强度和塑性大幅超越传统锻造产品。再比如，国内的云耀深维公司结合SLM与DED双工艺路径，已成功将钛合金3D打印应用于新一代智能飞行器与医疗植入体。

制造，从来都不仅是“造东西”，而是重新定义材料、结构与效率的艺术。而金属增材制造技术，正是这场制造中的“雕刻刀”与“画笔”。它从实验室走向工厂，从单件打样走向批量生产，从高温熔融走向冷态沉积。