PBF vs. DED：您应该选择哪种金属 3D 打印工艺？ 最全方位对比

金属是增材制造中使用最广泛的材料之一，与塑料一起。这种材料的特性使其适用于最苛刻的市场，包括高性能应用。在本文中，我们将比较两种主要的金属打印工艺：激光粉末床融合（L-PBF）和定向能量沉积（DED）。我们将研究每种技术的特征、最常见的应用和领先的制造商，突出它们的异同。

首先简要介绍一下，PBF包括几种增材制造工艺，涉及使用粉末床，无论是塑料，陶瓷还是金属。您可能已经猜到了，今天我们将重点关注金属。该过程可以使用激光或电子束作为能源，例如制造商Arcam于2002年推出的电子束熔化（EBM）。但是，为了更直接地进行比较，我们将只关注使用激光作为热源的过程。根据各种制造商的名称，该过程还以其他名称而闻名，例如DMLS，这是金属3D打印领导者EOS于1994年获得专利的术语。首字母缩略词来自德语“Direkt Metall Laser Schmelzen”，翻译成英语为直接金属激光熔化。它也可以称为选择性激光熔化的SLM，这是弗劳恩霍夫研究所于1995年引入的术语。

PBF 流程

相比之下，DED是比其他金属粉末床技术更新的方法。它已经为人所知的时间更长，但直到过去十年才真正有效。该工艺使用粉末或线材形式的材料，该材料通过直接能源熔化，同时直接沉积到零件上。该工艺以其修复和/或涂覆大型金属物体的能力而闻名。DED技术可以使用不同的能源，如激光、等离子体或电子束。例如，WAAM（线弧增材制造）技术就属于这一类。因此，比较PBF和DED工艺并不容易，因为它们是两种截然不同的技术。因此，我们将尝试了解它们是如何工作的，它们是如何区别的，以及它们如何互补。

金属PBF和DED如何工作？
两者之间最大的相似之处之一集中在3D打印中必须发生的一些设定步骤上。值得注意的是，3D打印过程总是从使用CAD软件创建要打印的对象的3D模型开始。然后，切片器逐层以数字方式切割零件。

现在让我们从PBF开始：用惰性气体加热腔室以达到理想温度（对于EBM工艺，这必须在真空中进行）。然后将一层薄薄的粉末涂在板上，该板也被加热到约300/400°C的温度。 然后，激光选择性地熔化金属颗粒并固化它们。层完成后，托盘向下移动，允许添加另一层粉末。重复该过程，直到获得成品零件。

准备好后，必须让它冷却。然后去除周围的松散金属粉末以及印刷支架，PBF几乎总是需要这些支撑物。强烈建议使用它们，特别是对于第一层，以将零件固定在印板上，而不会影响零件的最终几何形状和属性。最后，金属零件经过各种后处理过程，我们将在专门的部分中详细介绍。

就DED而言，它可以被认为是挤出和PBF之间的混合。事实上，这项技术制造具有集中能源的零件来熔化材料。打印头送入粉末或金属丝，喷嘴逐层沉积使用的金属。金属在离开喷嘴到要修复的底座或组件上时被熔化。重复该过程，直到达到以前通过CAD软件设计的3D模型。

使用激光的DED工艺

DED 3D打印机是工业机器，可用于三种可能的能量来源：激光，电子束和等离子体。根据选择的能量类型，3D打印机将具有不同的环境。请注意，大多数DED机器是大型工业机器，需要封闭和受控的结构才能运行。对于激光系统，反应性金属需要一个完全惰性的腔室。这需要大量的气体和时间才能达到所需的氧气水平。对于电子束，该过程必须在真空中进行，以避免电子与空气分子相互作用或被空气分子偏转。最后，当使用等离子体作为能源时，材料在惰性氩气环境中精确熔化。该过程每秒监控600多次，以确保质量。

PBF和DED的优点和局限性
金属粉末床熔融是生产可直接使用的最终零件的最广泛使用的技术之一，而DED则更多地用于维修，涂层或添加定制零件。从这两种技术来看，都有优点和局限性。金属激光熔化的主要优点是它可以制造具有高几何复杂性的零件。此外，当与拓扑优化相结合时，该技术可以用更少的材料制造更轻的金属零件，这在汽车和航空航天等行业中至关重要。

另一方面，DED技术是加工具有高机械性能的大型金属零件的理想选择。DED 3D打印机由放置在多轴机械臂上的喷嘴组成（可以有四个或五个），既允许高度的打印自由度，又允许大打印量。在生产时间方面，材料沉积工艺可以打印高达5 kg / h，是最快的工艺之一。据美国打印机制造商Optomec称.3D DED比PBF快10倍。这是一个优点，但在零件精度方面也是一个缺点，因为更高的打印速度需要更大的层厚度（在 5 到 10 毫米之间），因此零件渲染的精度较低。另一方面，PBF具有非常薄的层（低至0.02毫米），并且激光逐点在零件上工作，这延长了生产时间，但增加了细节水平。

拓扑优化可以使3D打印金属部件更轻

在零件尺寸方面，DED有利于生产大型产品，其中粉末床熔合受到板材尺寸的限制。应该注意的是，可以用PBF制造的最大零件不超过一米，而DED提供了在几米的大表面上工作的可能性。然而，这两种技术都具有环境优势。对于熔融，在某些情况下，与某些金属，未加工的粉末可以重复使用，因为新粉末可以与旧粉末混合。另一方面，DED在其制造过程中使用的材料较少，尽管该过程确实需要加工技术来从零件中去除材料。尽管如此，与传统的施工方法相比，这两种技术都促进了废物的减少。

从更“实用”的角度来看，PBF技术不适合大规模生产，因为与CNC加工相比，它的成本太高。因此，它更适合并用于需要特定或定制几何形状的小批量，例如牙科修复体。最后，与DED相比，PBF打印中使用的材料量对生产成本的影响也更大。至于材料沉积技术的局限性，它不允许生产具有复杂几何形状的零件。DED将用于具有简单形状的零件。然而，组件的大尺寸也会对价格产生影响。机器本身的成本非常高，即使该过程仍然比PBF便宜。最后，这两种技术还需要经过许多后处理步骤，从而增加成本。我们将在本文后面更详细地讨论这一点。

采用Relativity Space的DED技术的3D打印坦克（图片来源：Relativity Space）

金属作为主要材料
材料的选择对这两种技术都有重大影响，因为它代表了每个过程的主要成本。对于PBF，腔室需要填充金属粉末来打印零件，对于DED，零件越大，需要的材料就越多。

一般来说，激光聚变提供了多种兼容金属选择，但有些金属今天仍然不兼容，例如非常适合焊接的高碳钢或高硅铝。当需要特定材料时，这可能是一个限制因素。但是，该工艺可以使用金属和合金，例如不锈钢，钴铬，铝（主要用于航空航天和汽车行业），钛（特别适用于医疗领域），铬镍铁合金和铜。也可以使用黄金、铂金和白银等贵金属。对于DED技术，可以在金属和陶瓷之间进行选择;在这里，我们将主要关注前者。事实上，陶瓷很少使用，因为它们实施起来很复杂，并且只与激光能量源兼容。

目前与工艺兼容的金属种类繁多

许多粉末或长丝形式的金属也可用于DED技术。与PBF技术不同，直接能量沉积通常允许使用所有可焊接材料，例如钛和钛合金，铬镍铁合金，钽，钨，铌，不锈钢和铝。在这种情况下，熔化温度高于腔室温度很重要，因此该过程需要对每种材料进行不同的受控程度。

PBF 和 DED 的应用

这两种技术都可以用于广泛的应用和部门。这两种工艺之间的主要区别在于粉末通过激光沉积和处理的方式，以及工艺的使用目的。它们用于航空航天、汽车、医药甚至珠宝等要求苛刻的行业，例如 PBF 技术。

例如，对于DED技术，主要应用包括大型零件的维修。如果我们以航空航天领域为例，典型的使用示例是修理涡轮螺旋桨、阀门或各种工具。也可以使用不同的粉末或连接材料，例如钢和铸铝来焊接电动机的电池。然而，PBF技术不允许粉末的接合，因为它们会混合并且无法使用。然而，航空航天工业仍然可以从其优势中受益，特别是在生产复杂的定制零件或终端件时。

PBF零件的精度和质量也使其特别适合汽车行业的最终用途，3D打印零件集成到汽车中，如油分离器，底盘或发动机部件。如上所述，它也可以与贵金属一起使用，以制作珠宝或配饰。对于医疗领域，这项技术提供了为每位患者定制详细植入物的可能性，例如金属颅骨植入物或牙冠。

PBF技术使定制医疗植入物的生产成为可能（图片来源：通快）

与PBF一样，DED工艺也用于医疗领域，以生产骨科植入物，手术设备和假肢。一些金属，如钛或不锈钢，甚至是生物相容的。这意味着它们可以插入体内，而不会有免疫系统过敏反应的风险。最后，材料沉积还用于各种类型组件的保护性金属涂层。这使得零件更坚硬，更耐腐蚀，更耐锈，耐化学品或耐候性。

其他行业也受益于这些技术，例如石油和天然气行业，其应用如压力容器，可以使用DED生产，以及海事和国防工业，例如用于生产组件。此外，在复杂零件的情况下，可以互补地使用这两种技术，以便在最短的时间内获得最详细的混合零件。例如，正如Irepa Laser增材制造应用和开发经理Didier Boisselier所解释的那样，Irepa Laser为国防部门生产了一种混合金属部件。该零件具有高度的内部几何复杂性，因此内部零件需要使用PBF，而外部零件则使用DED技术以加快该过程。

DED用于具有简单几何形状的零件

后处理的不同阶段
虽然用这两种技术制造的零件提供了高性能的零件，即可以通过最严格测试的超级合金产品，但为了达到这样的结果，这两种工艺也需要更多的后处理步骤，这增加了成本。例如，表面光洁度很重要，尽管程度不同。事实上，在PBF的情况下，有必要处理表面以使其更光滑，因为零件看起来是颗粒状的。使用DED，您将获得表面不完美的零件，因为材料在挤出过程中直接熔化。因此，CNC加工步骤始终是获得更清晰和光滑的表面所必需的。

此外，在这两个过程中金属的快速加热和冷却会导致内应力的积累。热处理可以消除这些应力并改善机械性能，例如硬度、伸长率、疲劳强度等。对于金属激光熔化，有必要去除多余的粉末和基板。这可以手动、机械或线切割线切割完成。接下来是表面精加工，可以添加抛光或CNC工艺以改善零件的美观性。

对于DED，铣削（CNC）零件是精加工的重要步骤。这非常耗时，并且由于零件尺寸大，需要大量投资。通常，后处理金属零件最常用的技术是热等静压（HIP），它去除任何残留的内部微孔并完全固化零件，以及退火，这是一种热处理选项，用于通过将其加热到高温然后快速冷却来改善零件的机械性能。金属的表面处理方法包括干式电解抛光、喷砂等。

必须移除3D打印支架

应该记住，对于DED和PBF，不可能定义单一的后处理过程，这取决于零件的尺寸，使用的金属（例如，钛等材料需要特定的，甚至更昂贵的处理），生产的零件类型以及每个特定行业要求的规格。

主要制造商

今天，许多制造商在粉末床上提供激光熔化机。在主要产品中，我们可以提到EOS，它是金属3D打印的主要参与者，如今仍然是DMLS 3D打印机的主要制造商之一。我们不要忘记3D Systems，该公司于2013年收购了法国品牌Phenix Systems，以扩展到金属增材制造领域。其工艺被称为直接金属印刷的DMP。其他提供金属激光熔融打印机的公司包括英国公司雷尼绍或德国制造商SLM Solutions，尽管即使这个列表也不是详尽无遗的。

专门从事激光DED机器的制造商包括AddUp，该公司于2018年收购了市场上领先的DED机器制造商之一BeAM。该公司还提供两种L-PBF解决方案。美国Optomec也是领先的参与者之一，其专利的LENS工艺于1998年推向市场。如今，该公司拥有不少于七种解决方案。制造商FormAlloy，DMG Mori，InssTek，Relativity和Meltio也值得一提。后者声称提供市场上最便宜的DED机器。最后，其他公司提供这两种解决方案，例如德国公司通快或意大利公司Prima Additive，后者为铜和反射金属提供双激光或绿光激光选项。虽然还有很多。

价格
如前所述，DED和PBF 3D打印机之间的价格很高，但并不相同。事实上，定向能量沉积工艺可以被认为是比粉末床熔融便宜约5倍。虽然很难给出确切的数字。制造商不会在线披露其产品的价格，成本可能会因用户如何操作3D打印机而异。这也取决于买方是否也希望从后处理解决方案或特定材料中受益。无论如何，很难找到低于 80，000 美元的此类金属机器。一些3D打印机甚至可能高达近1，000，000美元。当涉及到粉末床激光熔化解决方案时，价格可以从 200，000 美元起。考虑一下3D Systems的DMP Flex 350，估计约为575，000美元，或者DMP Factory 350，最高可达763，000美元。对于DED系统，当考虑更复杂的解决方案时，价格可能会大幅上涨，例如DMG MORI的LASERTEC 6600 DED混合机床，它将DED技术和减材加工结合到一个解决方案中。它的估计成本是最高的之一，在1.5至300万美元之间。