金属丝3D打印：过程、丝材、打印机以及特点
时间：2023-06-12 09:54 来源：南极熊 作者：admin 阅读：次
△在 Desktop Metal Studio System 上制作的金属 3D 打印部件
如今，包括 Anycubic 在内的更多桌面熔融沉积建模 (FDM) 3D 打印机制造商推出了金属打印机配置文件，使用户能够在其经济实惠的机器上使用金属丝进行打印。其他 FDM 打印机制造商，如 Ultimaker、BCN3D 和 zortrax，已经推出了适应于金属打印的相关套件，包括型材、灯丝和喷嘴。第三类桌面 3D 打印机是专用于金属丝的打印机，例如 Raise3D 的 Forge1 和 Markforged 的 Metal X。
在下文将介绍金属丝打印的独特特性和功能，介绍了如何使用金属丝进行打印以及可以获得的机械性能。此外，本文的最后还介绍了一些金属丝3D打印机可供选择。
△来自 Forward AM 的 Ultrafuse 金属丝和在 BCN3D 机器上打印的金属零件
什么是金属丝？
△使用 Ultrafuse 金属丝在 Raise3D 的 Forge1 3D 打印机上打印金属部件
用于打印的金属丝成分为塑料基，金属颗粒均匀地注入其中，是一种复合长丝，可以产生坚固、耐化学腐蚀且固含量很高的金属部件 (98%+)。与其他类型的长丝不同，金属丝在打印后还需要两步到三步的后处理，其中包括在化学溶剂中从打印件中去除聚合物，然后将打印件放入烧结炉中，将其凝结成一个金属零件。
要注意，这里谈到的金属丝不仅仅是具有金属颜色或装饰性金属的丝材。不要将这些金属丝与用于装饰目的的金属丝混淆。金属丝根据其颜色简称为“铝”或“铜”，有些以 PLA+金属的形式出售，仅包含 5% 至 40% 的金属粉末。一些装饰性金属丝，如 Formfutura 的 MetalFil Classic Copper 和 ProtoPasta 的铁填充 PLA，含有高百分比的金属粉末（高达 80%），但仅用于模拟金属外观。这些不需要任何类型的后处理来去除塑料，但可以通过拉丝、打磨或抛光使其看起来和感觉像金属。
△使用 Anycubic 的金属丝和 3D 打印机的 3D 打印金属部件
与任何其他丝材相比，使用金属长丝的零件设计、方向、壁厚和支撑结构都不同。在Ender 3 或 Anet A8等机器上进行打印时，请务必遵循丝制造商和打印机制造商的设计指南。在有理想的切片机和打印机设置的机器上，可确保您从一开始就充分利用材料，而无需试验床温和挤出速度，减少丝材的浪费。例如，少数 FDM 打印机制造商（Makerbot、UltiMaker、Raise3D、Zortrax 和 BCN3D）已经认证了 Ultrafuse 品牌金属丝用于他们的打印机，并与 Ultrafuse 制造商 BASF Forward AM 合作开发了经过长时间使用的理想打印机设置。但如果制造商尚未测试或认证金属丝打印，用户可能会遇到打印失败的情况。一般情况下，金属丝起价为每 500 克 150 美元。
△使用 Nanoe 的 Zetamix 316L 不锈钢打印的部件大约有 80% 的致密金属部件
如果打印机制造商没有提供合适的打印速度，那么找到合适的打印速度是一个挑战。金属丝打印速度相对较慢，需要根据机器和零件的设计进行调整，一般情况下以30毫米/秒或40毫米/秒的速度开始打印，与打印尼龙所用的速度相同。
△金属丝 3D 打印的步骤，
金属零件收缩
请注意，零件在后处理时会收缩（从其原始体积的 18% 到 25%，具体取决于长丝的设计和品牌），因为其中的塑料材料被去除，剩余的金属被压缩.。在打印尺寸精度优先的功能部件时，这会带来不小的挑战。但是，同一种丝材的收缩系数是一致的，因此可以根据收缩率适当缩放初始CAD模型，切片软件可以自动为您计算。
Forward AM 的 Ultrafuse 在 XY 轴上具有 16-17% 的收缩率，在 Z 轴上具有 19-20% 的收缩率。使用来自 The Virtual Foundry 的 Filamet 品牌金属丝，您可以计划使用公司公布的脱脂/烧结工艺将铜和青铜的打印品缩小约 5%，将钢缩小 10%。该公司表示，总体而言，正常收缩率为 7-10%。最终部件的致密度为 80-85%，但部件可以烧结更长时间，这意味着收缩更多，密度更高。
下面的打印机制造商将脱脂装置和烧结装置作为一个包提供，它们提供工作流软件，有助于确保您的零件符合设计指南，并优化所有打印和烧结设置。对于跳过脱脂阶段的灯丝，例如 Virtual Foundry 和 Nanovia，生坯必须在热脱脂阶段埋入氧化铝粉末中，这是另一种需要购买的材料，但比脱脂装置便宜。
△使用 Ultrafuse 金属丝套件在 UltiMaker S5 上打印的不锈钢部件
金属丝设计
首先，根据MakerBot（现为 UltiMaker 的一部分）开发的金属丝打印指南，模型高宽比应保持在 3:1 以下，壁高宽比应保持在 6:1 以下，以防止在脱脂和烧结过程中出现倒塌或变形。此外，根据 MakerBot 的说法，尽可能平整地打印零件并添加尽可能多的支撑，以提高零件在脱脂和烧结过程中的生存能力。通过在打印和后处理阶段战略性地使用部件定位和支撑结构，可以显着减少部件塌陷和变形。
△Markforged Sinter-2 是一款专为中等批量生产和大型打印部件设计的熔炉
需要后处理
3D 打印金属丝不能立即从打印床上生产出坚固或可用的金属部件。事实上，最初的打印品被称为素坯，这时的零件非常脆并且没有金属特征，所以后处理是必要的。打印后，素坯经过脱脂，这是一个使用热量或溶剂溶解塑料或粘合剂成分的过程。此步骤会在整个零件中创建开孔通道。（也有例外，Filamet 品牌的金属丝不需要化学脱脂，而是使用熔炉的热量来去除塑料粘合剂。3D 打印机制造商 Desktop Metal 和 Rapidia（使用金属膏而非灯丝）也有一个跳过脱脂步骤的打印机到烧结两步工艺。）
然后将脱脂部件在熔炉中烧结，熔炉将部件均匀加热至刚好低于其熔点，去除任何残留的粘合剂并将金属颗粒熔化以形成致密部件。大多数金属丝材料都可以在普通窑炉硬件中烧结，只要它能保持几个小时的烧结温度。
△按需 3D 打印公司 Fastparts 还将对您的金属零件进行脱脂和烧结，然后将产品邮寄给客户
外包脱脂和烧结
市场上已经有几家制造商提供了一套机器，包括打印机、清洗机或脱脂机以及烧结炉，能够在内部完成整个流程，并使用一个软件协调或自动化流程。不必拥有脱脂机或烧结炉即可制造3D打印金属部件。用户可以将零件寄出进行专业的后处理。Metal Ultrafuse 和 The Virtual Foundry 这两个品牌提供推荐的第三方服务，这些服务将完成您的金属零件并将它们寄回。更多按需 3D 打印供应商也在提供这项服务。在欧洲，只要使用 Ultrafuse 品牌的不锈钢丝，您就可以将零件连同 STL 文件发送到Fastparts进行脱脂和烧结。在美国，您可以求助于Matterhackers来处理您的 Ultrafuse 零件。
金属丝制成的金属零件的机械性能
△素坯不锈钢 3D 打印部件（左侧），然后经过烧结、中间和最后抛光
金属长丝比标准的桌面FDM 3D打印中使用的几乎所有塑料都要坚固，最终部件具有金属特性。典型应用包括金属喷嘴、齿轮、医疗工具原型和阀门。要注意用金属丝制成的零件通常不用于承受非常高应力。尽管使用金属丝的3D打印可能不适合具有严格要求的应用场景，但在FDM 机器上生产致密金属非关键部件是极其具有经济性的。
金属丝 3D 打印部件的特性
Forward AM 的研究显示，在正确 3D 打印时，使用 Ultrafuse 316l 不锈钢丝生产的金属部件在 XY（平面）方向的抗拉强度为 561 MPa，在 ZX（直立）方向的抗拉强度为 521 MPa，而使用金属注射成型制造的相同部件在两个方向上的抗拉强度均为 540 MPa。3D 打印部件的屈服强度或对应于材料开始变形点的应力（XY 为 251 MPa，ZX 为 234 MPa）明显高于模制部件（180 MPa）。
最近的一项研究发现，当层方向平行于拉伸方向时，部件的强度远低于层方向垂直于拉伸方向时的强度。该研究不是使用 Ultrafuse 或 Filamet 进行的，而是使用为实验创建的 60% 金属和 40% 塑料粘合剂材料。Ultrafuse 的技术数据显示 XY 和 YZ 强度值相似。
3D 打印组件设计和打印方向起着至关重要的作用。为了降低机械不稳定的风险，Forward AM 建议在印刷前按照他们的在线指南执行“脱脂稳定性模拟” 。这提供了对内部应力的估计，以评估脱脂过程中零件的结构完整性，并且还提供了哪些结构特征存在风险的可视化指导。这种烧结模拟通过 Forward AM 的虚拟工程服务作为一项服务提供。使用此类工具，用户可以确定金属丝打印是否最适合您的零件。
顶级金属丝
△Ultrafuse 316L 灯丝需要像钢或红宝石一样耐磨的喷嘴
Forward AM 的 Ultrafuse
●巴斯夫 Ultrafuse 316L 不锈钢：每 3 公斤线轴 500 美元
●巴斯夫 Ultrafuse 17-4 PH 不锈钢：每 3 公斤线轴 350 美元
Forward AM 的母公司巴斯夫是全球最大的化工公司之一。他们的注入金属的长丝称为 Ultrafuse，采用 316L 不锈钢和 17-4 PH 不锈钢制成。两种长丝都含有 80% 的金属粉末和专有的聚合物基粘合剂。Ultrafuse 17-4 PH，也称为 630 型，是一种铬铜硬化不锈钢，具有磁性并在高达 315 °C 的温度下保持良好的机械和耐腐蚀性。Ultrafuse 316L 支持广泛的应用，包括工具、夹具和夹具、小批量生产、功能部件和原型。这种金属丝并不便宜，每公斤成本约为 129 美元，3 公斤线轴的 Ultrafuse 316L 成本约为 465 美元，Ultrafuse 17-4 PH 为 349 美元，也有 1 公斤线轴。
尽管这种长丝比标准聚合物 3D 打印长丝贵得多，但它的价格低于许多碳纤维增强 PA 长丝，并且大大降低了生产中小型金属部件的成本。根据零件的设计和尺寸，它可能比任何其他金属 AM 技术都便宜。使用 Ultrafuse 316L 打印比在工业金属打印机上使用大多数金属粉末打印便宜 1.4 到 2 倍。
●直径：1.75 毫米、2.85 毫米
●阀芯尺寸：1 kg、3 kg
●材质成分：80% 316L不锈钢；17-4 PH 不锈钢，含 20% 热塑性粘合剂
●喷嘴温度：220-245°C
●床温：90-100℃
●冷却：不需要
●打印速度：30-40毫米/秒
●底板：带胶棒的玻璃床
●喷嘴：任何耐磨喷嘴（钢、红宝石等）
●烧结件密度：7.85 kg/m 3 (Ultrafuse 316L)；7.6 千克/米3 (Ultrafuse 17-4 PH)
●平均收缩率：X & Y 16%，Z 20%
●推荐的初始比例因子：X & Y 120%，Z 125%
●技术数据表：Ultrafuse 316L、Ultrafuse 17-4 PH
△来自 The Virtual Foundry 的用于 FDM 打印的金属丝
The Virtual Foundry的 Filamet
●The Virtual Foundry 316L 不锈钢：每 3 公斤 700 美元
●The Virtual Foundry 17-4 PH 不锈钢：每 3 公斤 900 美元
总部位于美国的材料制造商 The Virtual Foundry 专注于金属丝，并提供九Filamet，包括 316L 不锈钢、Inconel 718-34 F 钢、钛、铜、铝和 2023 年新推出的 H13 工具钢。该公司的 316L 不锈钢丝含有约 85% 的金属，可用于任何 FDM 打印机，但需要一些附加设备。例如，要使用该公司的 316L 进行打印，您需要一个 FilaWarmer 来预热灯丝。
Filamet 可以使用稍低的喷嘴温度 (205-235 °C) 和低得多的床层温度 (40-50 °C) 进行打印。另一件需要考虑的事情是，TVF 的灯丝需要一个 0.6 毫米的不锈钢喷嘴，而您可以为 Ultrafuse 使用更标准的 0.4 毫米直径的喷嘴。由于 Filamet 的金属含量高，它比标准 PLA 更容易断裂。TVF 建议将线轴悬挂在打印机的正上方，用于直接驱动挤出设置的打印机，或靠近或下方用于 Bowden 设置的打印机。
每公斤，319L 不锈钢的价格为 273 美元，铜为 121 美元，钛为 832 美元。TVF 提供打印机配置文件，您可以将其上传到切片机软件，作为试验材料的起点。对于后处理，TVF 材料只需要一个步骤，即在窑炉中加热。对于没有烧结设备的客户，TVF 与芝加哥以外的金属 3D 打印服务 Sapphire 3D 合作，以每个小零件约 50 美元的价格处理打印件。
●直径：1.75 毫米、2.85 毫米、颗粒
●线轴尺寸：500 克，1 千克
●材料成分：80% 316L 不锈钢或 17-4 PH 不锈钢加 20% 塑料聚合物
●喷嘴温度：205-235°C
●床温：40-50℃
●冷却：不需要
●打印速度：30 mm/s 开始
●构建板：任何材料，但在印刷品和床之间有一层（例如蓝色油漆胶带或胶棒）
●喷嘴：0.6 毫米或更大，标准不锈钢
△使用 Nanoe 重新配制的 316L 不锈钢丝制成的零件
Nanoe 的 Zetamix
●Nanoe 316L 不锈钢的 Zetamix：每 3 公斤 1,500 美元
●Nanoe H13 Steel 的 Zetamix：每 3 公斤 1,500 美元
法国材料制造商Nanoe提供 316L 不锈钢丝和 H13 工具钢丝，两种灯丝的粘合剂中约有52% 至 55% 的金属，因此它们可以在比其他品牌低得多的喷嘴温度下打印，可以获得密度为90%至91%的最终零件，预计收缩率为16%至21.3%。全球分销商提供的 500 克 319L 不锈钢和 H13 工具钢丝每公斤的价格略低于 300 美元。
●直径：1.75 毫米、2.85 毫米
●线轴尺寸：500 克，1 千克
●材质成分：55% 316L不锈钢或52% H13钢
●喷嘴温度：180 °C
●床温：30 °C
●冷却：不需要
●打印速度：15 至 50 毫米/秒，具体取决于零件的形状
●喷嘴：0.6 毫米或更大，标准不锈钢
●推荐的初始比例因子：X & Y 120%，Z 125%
●技术数据表：316L，H13
△来自 Nanovia 的不锈钢丝
Nanovia 的 Mt 316L
●Mt 316L 不锈钢：每 3 公斤 900 美元
法国材料制造商 Nanovia 提供低碳含量的 316L 不锈钢丝，打印部件可以直接烧结，无需事先进行任何化学脱脂步骤。每 500 克的价格约为 150 美元。Mt 316L 灯丝允许使用标准 3D 打印机打印致密的不锈钢部件，然后无需化学脱脂即可进行烧结。Nanovia 声称烧结后的结果是 100% 不锈钢部件。
●直径：1.75 毫米、2.85 毫米
●线轴尺寸：500 克
●喷嘴温度：170 °C – 100 °C
●床温：40 °C – 60 °C
●打印速度：从 20 到 40 毫米/秒，具体取决于零件的形状
●喷嘴：0.6 毫米或更大，标准不锈钢
●收缩率：10% – 15%
●技术数据表：316L
金属丝3D打印机
Markforged Metal X Gen2
△Markforged Metal X 系统包括一个 3D 打印机、一个脱脂单元和一个烧结炉
Markforged 于 2017 年推出了 Metal X，如今仍然是全球成千上万客户的首选金属 3D 打印机解决方案之一。Metal X 是一款带加热室的双挤出机 3D 打印机，可实现 50 微米的层高。与其他打印机制造商不同，Markforged 在其专有系列中提供六种金属，包括铜和 Iconel。对于铜，您可以获得 98% 致密的金属部件，断裂伸长率为 45%，极限抗拉强度为 193 MPa。
去除支撑是金属 3D 打印中的一个主要问题，Markforged提供了一个相对独特的解决方案，在打印件和支撑件之间，均采用金属打印，是一层薄的陶瓷释放层，无需工具即可快速轻松地弹出支撑件。
Markforged 提供脱脂装置 Wash 1 和烧结炉 Sinter 2，可以在内部完成整个金属零件生产。Wash-1 将生坯部件浸入一种特殊的液体中，去除主要的粘合材料，使部件保持半多孔状态，这样剩余的粘合剂可以在烧结过程中燃烧掉。Sinter 2 炉的温度可达 1300° C，可将各种商业级金属从脱脂状态烧结成完全致密的金属部件。
全金属3D打印系统由该公司基于云的Eiger工作流软件驱动，使用户能够存储“数字零件”，可以在任何地点的任何 Metal X 打印机上打印出来。Eiger 还具有零件模拟功能，可以在打印前验证零件性能和打印设置。Metal X 的零售价约为 99,000 美元，上述三个单元的价格在 200,000 美元左右。每 200cc 线轴的材料价格从 150 美元到 300 美元不等。
Markforged 金属 X：
●构建体积：250 x 220 x 200 毫米
●打印室：加热
●打印床：加热、真空密封打印板、自动床调平
●最小层高：50 微米
Desktop Metal Studio System
△Desktop Metal Studio System 金属 3D 打印机和配套的烧结炉
Desktop Metal 是金属沉积3D打印的开拓者之一，降低了价格并提高了金属3D打印机的易用性。其 Studio System 于 2016 年首次亮相，可生产密度高达 98% 的部件，类似于铸件。Studio Systems 的所有材料都附带数据表，其中详细介绍了预期的机械特性。Desktop Metal 的铜部件拥有 37% 的断裂伸长率和 193 MPa 的极限抗拉强度。
Studio System 发布后，Desktop Metal 推出了新技术，创建了一个两步“打印机到烧结”过程，省去了脱脂步骤。使用专有材料配方可以将打印部件直接放入炉中，无需溶剂脱脂阶段，从而节省时间、溶剂材料。作为这项技术的先驱之一，Desktop Metal 奠定了其他打印机制造商效仿的一些基础。它的解决方案包括打印机、专有材料、专有软件、自己的烧结炉和可分离支架，在支撑结构和零件之间采用陶瓷界面材料，可以轻松地用手拆卸零件。
△Desktop Metal 的 Studio System 和熔炉可实现生产级金属零件
Studio System 3D 打印机和熔炉加起来大约 275,000 美元：
●构建体积：300 x 200 x 200 毫米
●层高（绿色状态）：50 微米
●加热床：70 °C
●最大构建重量（绿色状态）：6.5 kg
Raise3D Forge1
△MetalFuse是由Forge1金属3D打印机、D200-E脱脂机、S200-C烧结炉组成的系列产品
Raise3D 的 Forge1 是一款专业的大幅面金属 3D 打印机，是该公司 MetalFuse 解决方案的一部分，该解决方案包括打印机、D200-E 脱脂设备和可达到 1500 ℃ 的 S200-C 真空烧结炉。有了这三台机器，Raise3D 可以使用自动计算打印收缩的软件为内部金属零件生产提供简化的工作流程，从而使脱脂和烧结后的最终尺寸准确且适合使用。Forge1 打印机拥有双挤出机、自动调平床、耗尽传感器和带活性炭的 HEPA 过滤器。MetalFuse 系统使用 BASF Forward AM Ultrafuse 不锈钢打印。双挤出机使用巴斯夫 Ultrafuse 支撑层进行打印，目前仅在欧洲有售，这是一种用于“层隔离”的氧化铝材料。换句话说，它使分离支撑成为烧结后支撑和印刷品之间的分离层。
●构建体积：300 × 300 × 300 mm
●灯丝直径：1.75 毫米
●层高：100微米
●床温：120 ºC
BCN3D Epsilon W50
△BCN3D Epsilon W50 Gen 2 3D 打印机
打印机制造商 BCN3D 于 2021 年 11 月推出了 Metal Pack，其中包括 Ultrafuse 不锈钢丝（316L 和 17-4 PH）、Magigoo 粘合剂、软件和两个热端，价格约为 1,200 美元。BCN3D 还为金属零件提供特定的设计指南和工艺要求。Metal Pack 不仅适用于 W50，还适用于整个 Epsilon 系列 3D 打印机（W50SC、Epsilon W27 和 W27SC），为金属零件生产入门提供多种尺寸和价位。
Metal Pack 专为生产备件、功能原型和工具而设计，主要针对制药、食品、汽车、航空航天和制造行业。通过这种工艺生产的零件与通过金属注射成型或 CNC 生产的零件具有几乎相同的行为，并提供了一种设计自由度更高的办公室友好型解决方案。
△在 BCN3D Epsilon 3D 打印机上使用 Ultrafuse 不锈钢丝制成的金属部件可以抛光以提高表面光洁度
BCN3D 打印金属轮廓在其 Stratos 切片机中避免了打印过程中打印部件的内部张力。打印后，脱脂和烧结过程通过当前的 Forward AM 授权服务供应商网络在外部进行。外包的脱脂和烧结成本约为每公斤 50 至 80 美元。仅 Epsilon W50 打印机的价格为 8,500 美元，而 Epsilon W27 为 7,000 美元。
Epsilon W50
●架构：IDEX（独立双挤出机系统）
●构建体积：420 x 300 x 400 毫米
●加热床：120 ºC
带金属扩展套件的 UltiMaker S5
△带有金属扩展套件的 UltiMaker S5
自 2021 年发布 Ultrafuse 17-4PH 的打印机配置文件以来，UltiMaker使用户能够在其 S5 机器上打印完整的金属部件。2022年，Ultimaker 推出了全新的金属 3D 打印套件：Metal Expansion Kit。Ultimaker 产品经理 Andrea Gasperini 表示：“Ultimaker Metal Expansion Kit 特别适用于打印非现成部件，例如工具、夹具和固定装置、更换部件、功能原型和辅助组件。该套件提供了对完整且经过验证的 3D 打印工作流程的访问。
●架构：双挤出机
●打印体积：330 x 240 x 300 毫米
●喷嘴温度：180-280℃
● 层分辨率：使用 0.25 毫米喷嘴时为 20 微米
●价格：8,000 美元
Zortrax M300 Dual
△Zortrax M300 Dual 全金属打印套件
Zortrax 是最新的 FDM 3D 打印机制造商之一，与 BASF Forward AM 合作创建打印周边和附件套件，使 M300 公司或其 Edural 3D 打印机能够打印完整的金属部件。Zortrax 全金属套件支持使用两种最常用的钢材制作3D打印模型：316L 手术级不锈钢和 17-4 PH 硬化钢。要使用金属丝进行打印，您可以将打印机的标准热端模块替换为包装中包含的模块，加载随附的打印和支撑丝，使用随附的 Magigoo Pro 金属胶覆盖构建平台，使用 Z 中的默认设置打印您的部件-Suite。
●构建体积：265 x 265 x 300
●层分辨率：90-290微米
●挤出机：双投
●最大挤出机温度：290°C
●最高床温：105°C
金属丝的特点
△The Virtual Foundry 的灯丝制成的固体金属零件
金属丝3D打印成本较低，与传统方法的单独生产相比，可将小批量金属零件的成本降低 90%。使用普通金属原料（例如线材）和金属注射成型中使用的相同颗粒的新兴技术有可能消除金属丝 3D 打印中的脱脂和烧结步骤，并大大降低原材料的价格。金属丝比金属粉末危险性小，但它仍然由金属粉末制成，这是一种昂贵且耗能的产品。脱脂剂需要溶剂，熔炉需要大量的能源和气体，例如氩气，这也会增加环境影响和成本。
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