【堆叠之美】以土生金，粉末凝聚而成的金属零件
原创 2016-03-04 第374期 机械美学 机械美学
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提起3D打印，公众有个普遍概念是
方便有趣、但粗糙、强度不够
虽然大多数人都知道早已能够打出金属
但是总感觉用材料堆叠出来的东西应该很脆弱
3D行业从业者一直在努力改变这种印象

↓↓既然敢做开瓶器，就说明咱不怕撬↓↓

打印出来的金属真有这么结实？

这就得先了解一下金属3D打印的原理了
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《孔子家语·五帝》云：

天有五行，水、火、金、木、土
分时化育，以成万物。
 
五行学说是汉族文化重要组成部分

我们的祖先认为天下万物皆由
金、木、水、火、土组成
这五种基本元素彼此相生相克
木生火，火生土，金生水，水生木
土生金
所以

常见的3D打印用的是ABS塑料线材
金属3D打印可不是用金属丝儿
而是
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五行之术——以土生金

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在岁月侵蚀下

一切都会化为尘土，最终被一阵风卷走
然而总有一些东西逆天而行
从沙土中获得生命

传统的打印和绘画一样
最初只是局限在二次元世界
而3D打印则象油画，一笔一笔叠加上去
颜料厚了，就入侵到三次元世界了

最初的金属3D打印借鉴的是粉末冶金技术，用金属粉末或混合物作为原料，根据电脑中的三维图像信息，将一层层材质有序的层叠堆积起来，不同层次的粉末经过逐层成形、烧结和粘结，最终形成具有空间感的金属制品。

粉末冶金法与生产陶瓷相似，具有一些传统的熔铸方法无法获得的独特化学组成和机械、物理性能，可以直接制成多孔、半致密或全致密材料和制品，如含油轴承、齿轮、凸轮、导杆、刀具等。但对于某些尺寸要求精度高，并且有高的硬度、耐磨性的制件还要进行一些烧结后处理工艺，例如精压、滚压、挤压、淬火、表面淬火、浸油、及熔渗等等。
↓↓熔渗技术↓↓

采用这种金属3D技术制成的工件内部有大量孔洞，就像糠了的萝卜一样，很脆，徒手就可以掰断，所还需要采用熔渗的方式做后处理：用熔点比较低的金属或合金粉末把3D打印制品埋起来，再回炉一次，粉末熔融成液态，渗入充填3D打印制品内的孔隙，由此增加工件的强度，还顺便还能改改外观色泽。视频如下：
▼第一代金属3D打印技术(5分钟)▼

这种金属3D打印操作起来很麻烦，跟3D打印技术所见即所得，简单方便的宗旨有很大距离。现在业内所说的金属3D打印指的是DMLS技术，即直接金属激光烧结成型技术（Direct Metal Laser-Sintering，缩写DMLS），是直接用高能量的激光熔融金属粉末沉积，同时烧结固化粉末金属材料，通过自动地层层堆叠生成致密的几何形状的实体零件。

↓↓DMLS技术制成的金属件内部结构致密↓↓

由于金属本身是致密体重熔，不易产生粉末冶金成形那种空穴，结构件致密度可达99％以上，接近锻造的材料胚体。所以DMLS又被称作3D打印技术领域王冠上的明珠。至于它的具体过程，全球3D打印行业龙头Stratasys制作了一条说明视频：
▼金属3D打印DMLS技术(2分23秒)▼

DMLS比之前的金属3D打印简化很多：还是先在电脑上完成前期图形设计，将三维图形转化为一整套切片——准备好足够的金属粉末——（到这开始不同了）——用高能量激光逐层烧熔金属粉末，使之变成所需的三维形状——这些切片一层一层累积起来就是完整的金属部件了——后处理——成品。

↓↓在电脑中建模分层↓↓

↓↓金属粉末被激光逐层烧熔再盖上新的粉末↓↓

↓↓一层层凝聚堆叠成形↓↓

通过选用不同的烧结材料和调节工艺参数，使用DMLS技术可以生成从具有多孔性的透气钢、到耐腐蚀的不锈钢、再到组织致密的模具钢的各种零件，性能差异变化很大。甚至能够直接制造出非常复杂的零件，省却铣削和放电加工工序，为设计提供更宽的自由度。

早些年只有相对软的材料适用这种技术，而随着技术的不断进步，适用领域也扩展到了塑料、金属压铸和冲压等各种量产模具。
↓↓从尘埃中开出的金属之花↓↓

↓↓简单清理掉多余的支撑结构↓↓

↓↓成品↓↓

↓↓金属3D牙刷↓↓

↓↓平面磨削和手工抛光后处理↓↓

DMLS技术已经被多家公司掌握，目前主要用于制造高受力构件及传统工艺无法加工的复杂构件、不规则构件的成型，由于它能达到同牌号金属最高强度的90%至95%，具有精度高、成型限制极少的特点，被广泛应用于高端精密零部件制造等领域，比如航空航天、汽车、医学个性化件制造、小型注塑模具及镶件等，此外还可以应用该技术针对小批量、个性化的一些复杂件进行加工。（以上技术部分参考自观察者网文章《中船重工705所突破3D打印DMLS核心技术 世界第四家》）

↓↓航空航天领域应用↓↓

↓↓高端精密零部件制造↓↓

↓↓个性化制造↓↓

↓↓艺术创作↓↓

世界第一款金属3D打印的勃朗宁M1911手枪

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2013年12月，总部位于美国德州的3D打印公司Solid Concepts（后被行业巨头Stratasys吞并）使用DMLS激光烧结技术，设计制造出了全球首支3D打印的金属枪。

这支枪的原型是美军的经典装备.45口径勃朗宁M1911式手枪，3D打印出的手枪外观和真枪差异非常小。截至2014年6月12日，这把手枪已经发射了4600发子弹还没出故障，强力证明了DMLS激光烧结技术的优异性能。

↓↓金属3D勃朗宁M1911↓↓

↓↓经过5小时打印完工，清除多余的金属粉末↓↓

↓↓打好的枪管和套筒↓↓

↓↓打好的枪身↓↓

↓↓手枪零件一字排开准备进行后处理↓↓

↓↓去除支撑结构↓↓

↓↓手工研磨↓↓

↓↓撞针↓↓

↓↓枪筒连接件↓↓

3D打印金属手枪由超过30个3D打印原件组装而成，包括不锈钢和一些特殊合金材料，枪栓、枪管和很多内部零件都是由不锈钢17-4打印材料制造而成，枪框、扳机、撞锤等部件是由镍镉铁合金625制造的，手柄是碳纤维填充尼龙材质的。。。。话说为啥子弹不用打印的？
↓↓各零件准备就绪↓↓

↓↓组装↓↓

↓↓组装完成↓↓

↓↓每支枪都要经过50发子弹的零故障射击测试↓↓

↓↓成功击中30米外的靶心↓↓

▼世界首个3D打印的手枪(2分15秒)▼

↓↓完工准备出货↓↓

最初的几把枪被Solid Concepts自家的CEO和老总买了去，其它的卖给了一些爱好者尝鲜。这些制造过程还是后两年陆续发布出来的。

当年早些时候，就曾有位少年鼓捣出了世界第一把能射击的3D打印枪（白色塑料的，很简陋），已经引起了很多争议。Solid Concepts打出高还原度金属枪的消息一经发布，全球立马炸锅了。更多人开始忧心忡忡，担心有朝一日所有人都能用家用桌面3D打印机打手枪，介世界奏要大乱鸟。。。恩，昨儿机械君想发一条完整的试射视频，来回折腾了7次，腾讯也死活不给审核通过来着，上次319期里的子弹制造视频也给屏蔽了，真是操碎了心。。。

事实上，如果想攒够制造这柄手枪的所需要的所有设备，至少得花85万美元，犯罪分子真有这些钱，不如直接购买很多很多把真勃朗宁了——需要防范和警惕的，从来不是技术，而是脑筋长歪了的人好伐。在后者手中，别说枪和菜刀了，连牙签都是凶器，没收了凶器还可以手撕呀~~更何况，人家Stratasys的金属3D打印设备压根儿就不在中国卖