3D 打印线材：送丝金属打印如何工作

送丝金属打印与线材 FDM 不同。实心金属丝被送入焊枪或激光头，熔化后以焊道形式落在基板上。打印头在龙门架或机器人臂上移动，零件逐层生长。电弧版本的通用名称是电弧增材制造，即 WAAM。激光和电子束版本也存在，但如今工业应用以电弧和激光为主。

线材既是原料也是填充材料。没有粉末床，也没有粘结剂。由于线材致密，沉积速率高。典型电弧头每小时沉积 1–4 kg，比粉末床熔融快十到五十倍。这是线材打印用于大型框架、支架和模具毛坯的主要原因。

热是难点。每条焊道冷却收缩，下一条又对下面重新加热。不加控制，零件会翘曲或层间塌陷。车间通过层间冷却、强制风冷或道间短暂停顿来控制。有些采用冷金属过渡模式减少热输入。结果是近净形状，不是成品零件。

打印态表面粗糙。焊道叠加留下条纹纹理，顶面不平。运行良好的电弧单元尺寸通常落在 ±0.5 至 ±1 mm 范围。这对毛坯可以，但不是配合面。大多数送丝打印金属件会转至 CNC 完成最终几何形状。

• 1
  原料实心线材，通常 0.8–1.6 mm，既是材料也是填充材料。
• 2
  热源电弧、激光或电子束在送丝时熔化线材。
• 3
  打印态近净形状，表面粗糙有纹路，存在残余应力。

线材供应决定材料选择。钢、不锈钢、铝和镍合金是实用范围。钛丝有供应但成本更高，且需要保护腔体避免吸氧。铜合金困难，因为会把热量从熔池导走，电弧难以稳定。

结构件常用 ER70S-6 低碳钢和 308L 或 316L 不锈钢。它们焊接干净、送丝不扭结、焊道成形稳定。需要耐腐蚀时默认选 316L。更高强度可用 17-4PH 线材，但需打印后热处理才能达到性能。

铝材因减重而常用。ER4043 和 ER5356 送丝顺畅，但氧化层和高导热性使熔池更难控制。零件通常需要更多层间冷却和更刚性的工装夹具。Inconel 625 等镍合金打印良好，用于热端部件，但每公斤线材成本高。

不要假设打印合金等同于锻件规范。热循环形成类似铸造的晶粒结构和方向性性能。屈服强度可能与板材版本不同，疲劳性能通常更低，除非进行热处理和表面加工。承载零件应要求测试试样。

线材打印偏好实体。薄壁困难，因为焊道宽，通常 3–6 mm，薄截面无法吸收热量。壁厚尽量至少 5 mm。若特征必须更薄，应计划打印后加工，而不是直接打印到尺寸。

悬垂受限。熔池需要下层支撑，因此与垂直方向夹角超过约 45 度需要额外焊道或支撑结构。跨间隙搭桥可行但会下垂。设计自支撑形状，或接受车间会增加牺牲材料再切除。

变形是管理而非消除。长直段冷却时会拉拽。常见做法是打印时略放大，在关键面留 1–3 mm 余量供加工。余量也覆盖粗糙表面，使成品面来自刀具而非焊枪。

考虑毛坯而非成品。好的送丝打印设计应能让五轴机床在一两次装夹内完成。添加基准、在配合面留余量，避免刀具无法到达的深型腔。打印让你接近，CNC 让你达到公差。

• 1
  壁厚稳定焊道建议至少 5 mm 作为安全起点。
• 2
  悬垂角度与垂直方向保持约 45 度以内以避免下垂。
• 3
  加工余量需保证公差的面留 1–3 mm。
• 4
  可达性设计时确保刀具能到达每个关键表面。

送丝打印件是带粗糙表皮的铸件。要达到 ±0.005 mm 和 Ra 0.2–0.8 μm 精加工面，毛坯需上 CNC。五轴加工是常规路线，因为打印几何很少与单一轴对齐。我们车间的 16 台五轴联动加工中心正好处理这类工作。

第一道工序建立基准。车间先加工底面，找正打印中心线，然后锁紧零件。之后加工关键内孔、端面和槽。由于打印表面不平整，第一刀通常是清理走刀，在精加工前去除 1–2 mm。这属于正常情况，应在毛坯余量中预留。

热处理可能安排在上机加工之前。对于钢和 17-4PH，去应力或固溶处理可降低残余应力，避免零件在切削后变形。跳过这一步，可能出现内孔在机床上是圆的、一周后变成椭圆。如果图纸要求特定硬度，先热处理，再切削。

成品零件还可做表面处理。阳极氧化、化学镀镍、粉末喷涂和喷砂都适用于机加工金属。激光打标可用于零件编号和可追溯性，最小字符高度 1.5 mm。发货前 100% 检验，可按要求提供报告。

当零件尺寸大、几何形状为有机形态或中空结构时，选线材打印。一个原本需要 60 kg 坯料的支架，可打印成 20 kg 的近净成形件，既省材料成本又省加工时间。对于 Inconel 或钛合金等昂贵合金，这种材料节省可能决定项目成败。

当交期比表面质量更重要时选它。线材成形单元不需要模具和模样。毛坯可在数天内打印完成，再上机加工。对于单件或小批量，这比订购铸件更快。它也适合修复工作，即在磨损或损坏区域增材。

小尺寸、高细节零件不要选它。焊道宽度决定了特征尺寸的下限。壁厚 1 mm、细内部流道或镜面要求的零件，更适合用棒料 CNC 加工或粉末工艺。对这些工件，线材打印只增加工序，不增加价值。

材料必须严格匹配变形材规范时不要选它。打印的晶粒组织不同。如果图纸要求性能已知、有认证的 7075-T6 板材，就用板材加工。线材打印是成形工艺，不是材料替代的捷径。

实用规则：如果零件比鞋盒大、有中空或有机形态、且只有少数关键面需要公差，线材打印加 CNC 是合适组合。如果零件小、细节多或性能关键，直接上机加工。

• 1
  适合尺寸大、中空、小批量、仅少数面要求严格的金属零件。
• 2
  不适合小尺寸、细细节、薄壁和尖锐内部特征的零件。
• 3
  成本驱动节省的材料与增加的加工时间之间的权衡。