為什么FDM廠商有可能切入金屬3D打印？學(xué)術(shù)文獻(xiàn)讀后

本文內(nèi)容核心

AM易道深度分享

做塑料FDM打印機(jī)的廠商，距離金屬3D打印有多遠(yuǎn)？

答案可能是：一個(gè)打印頭的距離。

2025年11月，約翰霍普金斯大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在《Journal of Manufacturing Processes》發(fā)表了一篇綜述論文，系統(tǒng)梳理了一類叫做MEAM的金屬打印技術(shù)。

這個(gè)學(xué)術(shù)縮寫讀起來有點(diǎn)拗口，AM易道更愿意直接叫它FDM式金屬打印。

因?yàn)樗南到y(tǒng)架構(gòu)和塑料FDM打印機(jī)實(shí)在太像了。

運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可以沿用，送絲機(jī)構(gòu)可以沿用，溫控邏輯相通。

我們看來，核心差異只在打印頭。

這篇文章，AM易道試圖深度解讀這篇論文的關(guān)鍵內(nèi)容。

AM易道對(duì)于該文章的許多理解和表達(dá)已脫離原文章的原始技術(shù)表述，有大量原創(chuàng)主觀的解讀創(chuàng)作成分，如需要了解更多原始硬核技術(shù)內(nèi)容，請(qǐng)自行閱讀原文。

一臺(tái)改裝過的FDM打印機(jī)

我們理解FDM金屬打印最直接的方式，就是把它想象成一臺(tái)改裝過的塑料打印機(jī)。

工作原理大家都熟：絲材從料盤出來，經(jīng)送絲機(jī)構(gòu)進(jìn)入加熱的打印頭，熔化后從噴嘴擠出，一層一層堆起來。

FDM式金屬打印流程幾乎一樣，區(qū)別在于把塑料絲換成金屬絲，把兩百度的加熱溫度提到四五百度甚至更高。

論文里有張系統(tǒng)架構(gòu)圖，看完你就明白這兩種技術(shù)有多近。

左邊是整體流程：金屬絲材從上方進(jìn)入打印頭，加熱后從噴嘴擠出沉積。右邊把打印頭拆成兩個(gè)模塊—加熱和擠出。

加熱方式一般有三種。

最常見的是間接電阻加熱，用加熱棒包裹料筒和噴嘴，熱量從外向內(nèi)傳。

這和塑料FDM打印機(jī)完全一樣，簡(jiǎn)單便宜，但熱響應(yīng)慢。

還有直接電阻加熱，讓電流通過金屬絲本身產(chǎn)生熱量，響應(yīng)快但系統(tǒng)復(fù)雜。

第三種是感應(yīng)加熱，電磁感應(yīng)直接在金屬內(nèi)部生熱，不過銅和鋁這類材料反而不太好加熱。

感應(yīng)加熱熟悉嗎？拓竹H2C大家都見到過。

擠出方式一般也有三種。

輪驅(qū)動(dòng)送絲最主流，和塑料機(jī)的擠出機(jī)構(gòu)原理相同。氣壓擠出靠壓力把金屬推出來。重力擠出最簡(jiǎn)單，讓熔融金屬自己流下去。

論文展示了五個(gè)實(shí)際運(yùn)行的系統(tǒng)，有意思的是其中好幾個(gè)看起來特別像改裝的桌面打印機(jī)。

區(qū)別是打印頭用銅管纏繞加熱，但送絲機(jī)構(gòu)幾乎沒變。

當(dāng)然也有工業(yè)級(jí)設(shè)備，比如已經(jīng)倒閉的Digital Alloys公司的Joule Printing系統(tǒng)，以及比利時(shí)ValCUN公司的商業(yè)機(jī)器。

這五個(gè)系統(tǒng)的細(xì)節(jié)大家可以閱讀文獻(xiàn)原文了解。

這些實(shí)物照片給我們的感覺是：入門門檻可能比想象中低。

對(duì)FDM廠商來說，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、送絲電機(jī)、控制軟件都是現(xiàn)成的。

核心挑戰(zhàn)還是集中在打印頭：怎么在高溫下穩(wěn)定工作，怎么防止氧化和堵塞，怎么控制熔融金屬的流動(dòng)。

問題不簡(jiǎn)單，但邊界是清楚的。

半固態(tài)：比熔化更聰明的做法

如果你以為FDM金屬打印就是把金屬完全熔化再擠出來，那想簡(jiǎn)單了。

完全熔化的金屬有兩個(gè)麻煩。

一是粘度太低，液態(tài)鋁的粘度只有蜂蜜的千分之一，比水還稀，從噴嘴出來就到處流。

二是表面張力太高，是塑料的三十多倍，熔融金屬會(huì)迅速縮成球，根本沒法保持絲狀。

怎么辦？答案是在半固態(tài)區(qū)間操作。

每種合金都有一個(gè)溫度區(qū)間，金屬既不完全是固體也不完全是液體，而是固液共存的那種冰沙狀態(tài)。

關(guān)鍵在于，這種狀態(tài)下金屬有個(gè)神奇的特性：

你推它的時(shí)候它變稀容易流動(dòng)，你不推它的時(shí)候它變稠保持形狀。這在流變學(xué)里叫觸變性，番茄醬和牙膏也是這個(gè)原理。

這意味著，金屬在送絲機(jī)構(gòu)推動(dòng)下順暢流過噴嘴，出來之后很快變稠定型。

這正是擠出打印需要的理想狀態(tài)。

半固態(tài)加工還有個(gè)額外好處：能調(diào)控微觀組織。

論文的金相照片顯示，打印出來的材料幾乎都是均勻的球狀晶粒，尺寸在100微米以下。

這種組織比常規(guī)鑄造的樹枝狀晶粒更均勻，通常意味著更好的力學(xué)性能。

實(shí)測(cè)也證實(shí)了這一點(diǎn)—打印件的強(qiáng)度略高于同成分鑄件。

不過AM易道觀察到，目前力學(xué)性能數(shù)據(jù)還很稀缺。

大多數(shù)研究只做了硬度測(cè)試，系統(tǒng)的拉伸、疲勞數(shù)據(jù)幾乎沒有。

性能的全面表征是這條技術(shù)路線走向工業(yè)應(yīng)用必須填補(bǔ)的空白。

材料：低熔點(diǎn)的現(xiàn)實(shí)與高熔點(diǎn)的野心

能打什么材料，決定一項(xiàng)技術(shù)能走多遠(yuǎn)。

論文的材料清單讓人喜憂參半。

好消息是確實(shí)有人打出了鋁合金和鎂合金。

來看看打印成功的圖片案例：

ValCUN公司用鋁合金打印了相當(dāng)精美的零件，圖里面85毫米高的花瓶狀結(jié)構(gòu)就出自他們之手，表面質(zhì)量不輸傳統(tǒng)金屬打印。

還有團(tuán)隊(duì)用回收鋁廢料直接打印成功，上圖的f和g，材料循環(huán)利用有想象空間。

但現(xiàn)實(shí)是絕大多數(shù)研究仍停留在低熔點(diǎn)合金—錫鉛、鉍錫、銦鉍錫這些。熔點(diǎn)低、容易控制，是理想的實(shí)驗(yàn)材料，但離工業(yè)需求有距離。

目前沒人成功打印過不銹鋼或鈦合金，這是目前明確的天花板。

不過天花板不等于物理極限。

論文指出，感應(yīng)加熱和直接電阻加熱在理論上沒有溫度上限，限制在工程層面：噴嘴耐高溫、氣氛保護(hù)、高溫流變控制。

這些要一個(gè)個(gè)解決，方向是明確的。

AM易道觀察，材料范圍拓展是這條路線能否起飛的關(guān)鍵。

從論文引用的研究軌跡看，過去五年鋁合金的進(jìn)展明顯加速，這是積極信號(hào)。

在金屬3D打印版圖中的位置

把FDM金屬打印放到整個(gè)金屬增材版圖里看，它是什么角色？

論文有張對(duì)比表格，和PBF、DED、BJT都做了對(duì)比：

幾個(gè)關(guān)鍵數(shù)字值得注意：

設(shè)備成本可能比粉末床熔融低一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)，能耗差距更大，材料利用率接近100%，線材進(jìn)多少就沉積多少，沒有粉末飛濺損耗。

有興趣的讀者可以自己細(xì)看表格里的具體數(shù)據(jù)。

短板同樣明顯。

分辨率比粉末床熔融粗一個(gè)數(shù)量級(jí)，材料范圍有限，幾何復(fù)雜度受限，缺乏成熟工藝標(biāo)準(zhǔn)。

這里文章澄清了一個(gè)常見混淆。

市面上常見的金屬絲材打印（比如Markforged的Metal X）是另一條路線—打印的是塑料包裹金屬粉末的絲材，打完要脫脂燒結(jié)，伴隨收縮。

FDM式金屬打印完全不同，直接擠出熔融或半固態(tài)純金屬，打印即成型。

論文專門對(duì)比了這兩條技術(shù)路線，從工藝到性能都有本質(zhì)差異。

AM易道認(rèn)為，從對(duì)比圖看來，F(xiàn)DM金屬打印的定位逐漸清晰：

不取代激光粉末床，而是可以在成本敏感、精度要求中等的場(chǎng)景開辟空間。

教育科研、小批量定制、材料循環(huán)利用，可能是最先落地的領(lǐng)域。

產(chǎn)業(yè)機(jī)會(huì)：窗口正在打開

讀完這篇論文，AM易道認(rèn)為，有幾件事值得FDM廠商和金屬打印從業(yè)者注意。

這條技術(shù)路線的框架已經(jīng)逐漸被學(xué)術(shù)界梳理清楚了。

在我們看來，F(xiàn)DM廠商確實(shí)具備切入這條路線的技術(shù)基礎(chǔ)，但有能力和要不要做是兩回事。

金屬打印的市場(chǎng)結(jié)構(gòu)、客戶畫像、售后服務(wù)都和塑料打印不同，跨界不只是技術(shù)問題。

不過先行者可能獲得窗口期優(yōu)勢(shì)，但這條路線的低成本特性也意味著跟進(jìn)門檻不會(huì)太高。

先發(fā)優(yōu)勢(shì)能否持續(xù)，取決于能否在材料庫(kù)、工藝庫(kù)、應(yīng)用know-how上建立積累。

不過材料能否突破低熔點(diǎn)限制，性能能否達(dá)標(biāo)，以及市場(chǎng)是否需要這樣一條中間路線？

這些問題目前在我們心中并沒有確定答案。

AM易道見過許多被寄予厚望但最終沉寂的3D打印技術(shù)，也見過在邊緣默默生長(zhǎng)最后找到位置的方案。

這條路線會(huì)走向哪里，現(xiàn)在下結(jié)論太早。

開頭我們說，F(xiàn)DM廠商距離金屬打印可能只有一個(gè)打印頭的距離。

這個(gè)距離說遠(yuǎn)不遠(yuǎn)，說近也不近。

技術(shù)上的一步之遙，在商業(yè)上可能是漫長(zhǎng)的跋涉。

但至少，路已經(jīng)被看見了。

誰會(huì)成為第一個(gè)認(rèn)真走這條路的先鋒？

AM易道將持續(xù)持續(xù)關(guān)注。

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