金屬增材制造是增材制造技術最重要的一個分支。是以金屬粉末/絲材為原料，以高能束（激光/電子束/電弧/等離子束等）作為刀具，以計算機三維CAD數(shù)據(jù)模型為基礎，運用離散－堆積的原理，在軟件與數(shù)控系統(tǒng)的控制下將材料熔化逐層堆積，來制造高性能金屬構件的新型制造技術。
金屬增材制造技術工作原理
金屬增材制造技術類別
1、激光選區(qū)熔化技術SLM
激光選區(qū)熔化技術（Selective Laser Melting，SLM）是由粉床選區(qū)激光燒結技術（SLS）發(fā)展而來，以金屬粉末為加工原料，采用高能密度激光束將鋪灑在金屬基板上的粉末逐層熔覆堆積，從而形成金屬零件的制造技術。
2、電子束選區(qū)熔化技術EBSM
電子束選區(qū)熔化技術（Electron Beam Selective Melting，EBSM）的原理與SLM類似，只不過EBSM是在真空環(huán)境中，以電子束作為輸出熱源。相比激光，電子束更容易獲得，可以相應的降低部分加工成本，同時真空的工作環(huán)境也可以有效保證鈦合金和鋁合金在內(nèi)的很多活潑金屬在加熱過程中不易被氧化。
3、激光立體成形技術LSF
激光立體成形技術（(Laser Solid Forming，LSF）是通過快速成型技術和激光熔覆技術有機結合，利用高能量激光束將與光束同軸噴射或側向噴射的金屬粉末直接熔化為液態(tài)，通過運動控制，將熔化后的液態(tài)金屬按照預定的軌跡堆積凝固成形，獲得從尺寸和形狀上非常接近于最終零件的“近形”制件。
4、電子束熔絲沉積技術EBFF
電子束熔絲沉積技術(ElectronBeamFreeformFabrication，EBFF)，是電子束焊接技術(EBM)和快速成形思想結合的產(chǎn)物。在真空環(huán)境中，高能量密度的電子束轟擊金屬表面，在前一沉積層或基材上形成熔池，金屬絲材受電子束加熱融化形成熔滴。隨著工作臺的移動，使熔滴沿著一定的路徑逐滴沉積進入熔池，熔滴之間緊密相連，從而形成新的沉積層，層層堆積，直至制造出金屬零件或毛坯。
5、電孤增材制造技術WAAM
電弧增材制造技術（Wire ArcAdditive Manufacture，WAAM）是以熔化極惰性氣體保護焊接（MIG）、鎢極惰性氣體保護焊接（TIG）以及等離子體焊接電源（PA）等焊機產(chǎn)生的電弧為熱源，通過金屬絲材的添加， 在程序的控制下， 按設定成形路徑在基板上堆積層片，層層堆敷直至金屬零件近凈成形。
6、鑄鍛銑復合增材制造技術
從技術的原理上來說，此類技術應該屬于電弧增材制造技術。但由于其突破傳統(tǒng)增材制造局限，通過鑄鍛銑復合制造，制件強度及性能達到鍛件水平，使增材制造在高性能金屬部件的應用上得到推廣，因此要歸為新增的一類技術。
該技術在增材制造過程中加入了微鍛工藝，改變了傳統(tǒng)制造鑄鍛銑分離、流程長、需大型鑄鍛銑設備、耗資源重污染、復雜件無法整體制造的模式，突破了增材制造難以得到鍛件級零件的世界難題。目前，通過該技術成功制造發(fā)動機過渡段并通過烏克蘭航空鍛件標準質(zhì)量檢測和實機考核，制造的GH4169高溫合金零件經(jīng)美國通用航空公司測試疲勞性能超過鍛件。中國商飛集團、美國通用航空公司、歐洲空客集團已采用該技術制造飛機關鍵零件。
2017年，鑄鍛銑復合增材制造技術已經(jīng)獲得美國發(fā)明專利保護，獲得全國創(chuàng)新大獎、日內(nèi)瓦國際發(fā)明展金獎、中國發(fā)明協(xié)會特別獎等。
六種金屬增材制造技術優(yōu)勢對比
金屬增材制造材料
1、鈦合金
金屬增材制造技術中率先被研究和廣泛應用的合金材料，具有密度低、比強度高、耐腐蝕性、高溫力學性能優(yōu)良及生物相容性等特點。最典型的是TC4鈦合金，適合于激光束/電子束快速成形工藝，主要用于航空框架、梁、接頭、葉片等部件上。
鎳合金
高溫合金的一種，是以鎳為基添加適宜的元素，能在600℃以上的高溫及一定應力環(huán)境下長期工作的一類金屬材料，具有耐高溫性、良好的的抗熱腐蝕和抗氧化性能等，主要用于高性能發(fā)動機。
2、鋼
合金材料中最大的一個分支。在增材制造技術發(fā)展史上，鋼是被廣泛應用的重要材料，可細分為不銹鋼、高強鋼和模具鋼。不銹鋼具有耐化學腐蝕、耐高溫和力學性能良好等特性，其粉末成型性好、制備工藝簡單且成本低廉。
3、鋁合金
熔點較低，快速熔凝過程中溫度梯度相對較小，容易加工成型且成形件不易變形開裂，但是易氧化、具有高反射性和導熱性等特性。目前對于鋁合金更多的是基于SLM的研究與應用。
4、鎂合金
最輕的結構合金，由于其特殊的高強度和阻尼性能，在諸多應用領域具有替代鋼和鋁合金的可能。另外具有原位降解性、優(yōu)異的生物相容性等特點，在生物醫(yī)療行業(yè)比傳統(tǒng)合金更有應用前景。
5、其它合金
還包括硬質(zhì)合金、鈷鉻合金、以及Cu-Su、WNi、Ni-Al和Nb-Ti-Si等金屬間化合物材料和一些梯度材料。
金屬增材制造技術的應用
1、成形傳統(tǒng)制造難度大的零件
在制造領域，有些零部件形狀復雜、制備周期長，應用傳統(tǒng)鑄造鍛造工藝生產(chǎn)不出來或損耗較大。而金屬增材制造技術則可以快速制造出滿足要求的零部件，并具有加工周期短、制造成本低、無需工裝和模具等優(yōu)勢。
通過金屬3D打印的異型水路模具設計時間減少了75%、制造端人力節(jié)省了50%、射出模具生產(chǎn)周期縮短了14％、制造費用降低了16%等。
2、制備高成本材料零件
金屬材料是制造領域必不可少的重要材料，但是在實際的加工過程中，卻存在著不少問題，例如鈦合金、高溫合金、超高強度鋼等材料難加工、加工成本高、材料利用率低，加工周期長等。
美國最大的航空發(fā)動機制造公司之一普惠公司應用增材制造技術用于發(fā)動機的鎳基合金和鈦合金部件的研制，結果顯示：不但獲得了與當前材料一致的性能，大大縮短了制造周期，提升了復雜幾何結構的制造精度；而且原材料消耗降低了50%，并將發(fā)動機的BTF比（原材料質(zhì)量與部件最終質(zhì)量之比）從傳統(tǒng)工藝的20:1降低到2:1以下，有效的提高了部件的質(zhì)量和降低了制造成本。
3、快速成形小批量非標件
3D打印非常適合個性化定制生產(chǎn)、小批量生產(chǎn)。當前，金屬增材制造的個性化制造在醫(yī)療器械的應用極為突出，一方面用于打印具有個性化需求的植入物/假體或模仿仿生原理的復雜結構。
這些植入物通過3D打印技術的精確控制，有效實現(xiàn)外在輪廓及內(nèi)部結構的同步重建，以滿足其與患者局部解剖結構的高度匹配，其中具有生物相容性的鈦合金材料是重要的加工材料，打印出來的多孔結構植入物，可以更好的與人體組織結合。另一方面，金屬增材制造技術還可用于為病人量身定做植入手術所需的精密部件，例如華南理工大學利用激光選區(qū)熔化技術（SLM）已成功研制了外科手術所需的個性化輔助導板。
4、高性能成形修復受損零件
高成本零件的成形修復也是金屬增材制造技術的突出優(yōu)勢。過去，對于受損零部件只能做表面的涂層修復，并且維修工序步驟繁多，還涉及到一些額外的步驟如加工、拋光、測試等，同時還受維修時限條件的制約，耗時較長；而對于損傷稍嚴重的零部件也只能作更換處理。金屬增材制造技術則可以對任意缺失或損環(huán)的部分進行快速成形和修復。
例如航空航天零件結構復雜、成本高昂，一旦出現(xiàn)瑕疵或缺損，只能整體換掉，可能造成數(shù)十萬、上百萬元損失。而通過金屬3D打印技術，可以用同一材料將缺損部位修補成完整形狀，修復后的性能不受影響，大大延長了使用壽命，降低了成本，減少了停機時間。
5、異質(zhì)材料的組合制造
對于傳統(tǒng)制造方式（鑄造、鍛造等）來講，將不同材料組合成單一產(chǎn)品非常困難，但是增材制造技術有能力使不同原材料進行組合制造。
針對部分工業(yè)零件適當利用增材制造技術進行組合制造，不同的結構部位采用不同類別的金屬材料，不僅大大提高結構件的性能，而且降低了成本，特別是昂貴材料的成本。同時，也把增材制造技術成型復雜精細結構的優(yōu)勢與傳統(tǒng)制造技術高精度本的優(yōu)勢結合起來，形成了最佳的制造策略。
6、輕量化制造
增材制造技術快速自由成型的特點，給產(chǎn)品的設計帶來了無限的創(chuàng)新空間，為實現(xiàn)最優(yōu)化的設計提供了有效的制造途徑。金屬增材制造技術則可以使這些經(jīng)拓撲優(yōu)化后的創(chuàng)新模型，不用考慮制造約束并快速實現(xiàn)制造。
例如空客A320飛機的大尺寸“仿生”機艙隔離結構，這一結構是通過拓撲優(yōu)化設計，金屬3D打印制造而成，材料是采用的超強且輕質(zhì)合金材料Scalmalloy。A320全新的機艙設計與原有的隔離結構相比，新型的仿生隔離結構由幾個不同的部件組成，不僅強度更高，而且將其總量減輕了45%。
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