激光粉末床熔合技术凭借这一最新突破变得更具吸引力

哪种技术将主导 3D 打印？

由于 3D 打印（也称为增材制造）日益成为先进制造业的关键组成部分，进一步优化该工艺至关重要。这是因为 3D 打印零件和组件通常用于要求非常高的应用，例如汽车发动机、火箭、军事装备等。因此在这些情况下，任何一个组件发生故障都可能引发灾难性的多米诺骨牌效应。

这对于推动行业发展至关重要 从目前的整合来看 成为取代旧方法（熔化金属铸造和机械加工）的主导制造工艺。

一种特殊的 3D 打印技术用于精密制造：激光粉末床熔合。

威斯康星大学麦迪逊分校和阿贡国家实验室的研究人员最近利用先进的 X 射线成像技术分析了这一过程，并认为他们可以大大减少制造过程中出现的缺陷。他们在《国际机床工具制造杂志》上发表了他们的研究成果，标题为“利用高速 X 射线成像揭示通过成形光束缓解激光粉末床熔合过程中加工缺陷的机制¹“。

激光粉床熔融

粉末床 3D 打印的工作原理是将一层含有增材制造所用材料的粉末沉积在容器中。然后激光在将形成 3D 打印物品的区域熔化/熔合粉末。

然后将新的粉末层沉积在上面，需要熔化并添加到物品中的部分再次被激光瞄准。经过足够的时间，可以生产出非常复杂的形状以及相对较大的物品。

来源: 研究之门

您可以在本视频中看到激光粉末床熔合的实际操作，以及使用该技术可以制作的一些示例。

激光粉末床熔合可用于生产塑料制品，但更重要的是，它也可用于生产金属制品，包括钛、钢、钴铬、铝等。

这种方法的优点是可以制作出非常精确的几何形状，公差为 +/- 0.2 毫米，类似于金属注射成型。它还浪费很少的材料，因为未使用的粉末可以回收再利用。

通常在更先进的 3D 打印机设计中，可以通过同时使用多个激光器来快速打印较大的部件。

值得注意的是，激光粉末床熔合是一个涵盖几种不同子技术的总称：

• 选择性激光熔化 (SLM) 和 直接金属激光烧结（DMLS），这两种注册商标的工艺都使用激光系统来充分熔化金属粉末。
• 电子束熔炼 (EBM)，类似于SLM，但在惰性气氛或真空室中使用电子束。
• 选择性激光烧结 (SLS)使用粉状聚合物材料，因为激光只会将颗粒烧结在一起，而不会完全熔化材料。

预防 3D 打印失败

理论上，增材制造的金属部件与传统铸造部件相同。但在实际生产中，可能会出现孔隙或“空洞”、表面粗糙和大量飞溅等问题。

此类结构问题可能会导致零件损坏，这在关键应用中是不可接受的。

“因为我们了解了背后的机制，所以我们可以更快地确定正确的加工条件，从而使用环形光束生产出高质量的零件。”

陈连一 – 威斯康星大学麦迪逊分校机械工程副教授

环形激光束

研究人员对 3D 打印设计做出的第一个改变是将通常的激光束替换为环形激光束，由 一家名为 nLight 的激光公司，创造 半导体激光器.

来源: 国际机床与制造杂志

这种不同的形状使熔化的金属在熔池中整体循环更好，新制造的物品表面的波纹更小。飞溅也更小，传播距离更短。

来源: 国际机床与制造杂志

匹配模型和观察结果

研究人员利用阿贡国家实验室的高能同步加速器 X 射线设备证实了这些观察结果。他们利用该设备对 3D 打印过程进行高速快照，以便研究人员检查他们的数学模型是否正确模拟了现实。

来源: 国际机床与制造杂志

3D打印更快捷

研究人员还设法让环形光束更深地钻入粉末中，而不会产生更多不稳定性。这导致涂层更厚，而不会削弱成品。

由于生产最终需要更少的层，这加快了制造速度并提高了机器的整体生产率。

粉末床熔合示例

这类工作远不止是学术演示。它可以改进行业中已经使用的粉末床熔合机械。一个很好的例子是航空业，通用电气的 GE9X 发动机上的燃油喷嘴用于波音 777 飞机。

GE9X是迄今为止生产的最大的涡扇发动机，其增材制造的喷嘴的耐用性比之前的版本提高了五倍。

应当指出的是，这种发展仍是近期的事态发展， GE9X 设计将于 2020 年获得 FAA 批准.

甚至更高质量及更快的粉末床熔合工艺可以进一步改善设计，同时降低成本。

3D 打印的未来？

迈向先进制造业的主导地位

我们之前已经讨论过如何 3D 打印正在融入制造业的未来.

在生物医学植入物或航空等先进制造业中，情况确实如此。随着增材制造部件质量的不断提高，这很可能成为此类高要求行业的主要制造方法。

这可能也适用于 机器人, 在轨制造， 甚至 直接在体内进行全息 3D 打印.

面向更多应用

当 3D 打印变得更便宜时，就会发生另一个变化。

这在一定程度上归因于利用率的提高，因为生产更多的 3D 打印机将产生规模经济并降低机器及其原料的成本。

另一个因素是技术的改进。它可以优化原料的利用率（降低运营成本）或更快地生产零件（降低资本支出成本）。

这可能包括使用环形激光器的更厚的层，就像本研究中那样。或者也许 同时使用 2 个激光器。 乃至 3D 打印电子产品可添加到 3D 打印材料和零件中.

投资 3D 打印

3D 打印技术目前已达到成熟阶段，市场也已整合。这为投资者提供了比过去更多的可见性，并证实了这项技术绝非昙花一现，而是会持续存在。

您可以通过许多经纪人投资 3D 打印相关公司，您可以在此网站上找到我们对最佳经纪人的推荐 美国, 加拿大, 澳大利亚, 英国, 以及许多其他国家.

如果你对选择特定的 3D 打印公司不感兴趣，你也可以研究以下 ETF： ARK Invest 3D打印ETF（PRNT） 利用整个增材制造业的增长。

或者参阅我们的文章“值得关注的十大增材制造和 10D 打印股票“，和”纳米技术十大股票“。

环形激光公司

恩莱特公司

到目前为止，3D 打印技术的赢家主要是 3D 打印机制造商和最终用户。3D 打印机单个部件的制造商更难获得投资，因为大多数制造商都依赖于相对商品化的组件，例如标准化激光器。

但这里讨论的创新并非如此，环形激光器是一项新发展，可能刚刚找到了一种杀手级应用。

研究人员使用了 nLight 生产的激光器，更准确地说是连续波 (CW) AFX1000 光纤激光器。

多种光束设置选项可轻松处理所有金属。在切割方面，这些光纤激光器可为厚金属提供与 CO2 类似的边缘质量，并为薄金属提供光纤激光器的速度优势 — 所有这些都具有光纤激光器的可靠性和低拥有成本。

该激光器能够修改环的形状，以便进行或多或少精细的 3D 打印和复杂的几何形状。

来源: Trokut 解决方案

该公司的收入在 2016 年至 2021 年期间稳步增长，但随后出现下滑，主要原因是中国市场销售额下降。这可能与中国和西方之间的贸易紧张局势加剧以及来自中国国内激光生产商的竞争有关。

由于目前 95% 的客户都在中国以外，因此这不太可能继续影响公司的未来发展。

来源: 恩莱特

好坏参半的结果反映了这种转变，2024 年工业销售额急剧下降，而微加工和航空航天领域则蓬勃发展。

来源：Trokut Solutions

近期销售额的下滑导致经营现金流在 2024 年再次降至负值。然而，如果航空航天和微加工/3D 打印的增长趋势持续下去，在这些行业的总体增长和 nLight 独特的技术优势的推动下，nLight 应该能够恢复盈利。

学习参考：

^{1. 袁杰，郭Q.，克拉克，SJ，埃斯卡诺，LI，纳巴，A.，曲，M.，黄，J.，李，Q.，罗曼，AJ，奥斯瓦尔德，TA，Fezzaa， K.，＆Chen，L.（2025）。使用高速 X 射线成像揭示通过成形光束减少激光粉末床熔合加工缺陷的机制。 国际机床工具制造杂志，204104232。 https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2024.104232}