什么是冷金屬融合(Cold Metal Fusion)3D打印?

導(dǎo)讀：冷金屬融合 (CMF) 是一種新型金屬3D打印技術(shù)，將現(xiàn)有金屬制造工藝與選擇性激光燒結(jié) (SLS) 相結(jié)合。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是將一種新材料集成到機(jī)械系統(tǒng)中，使制造商能夠使用相同的設(shè)備做更多的事情。那么什么是金屬融合技術(shù)？它有什么優(yōu)勢(shì)？目前主要的設(shè)備供應(yīng)商有哪些呢？


△自行車零件初創(chuàng)公司 Titanum 和制造商 Element22 合作，在 EOS SLS 3D 打印機(jī)上使用 Cold Metal Fusion 技術(shù)創(chuàng)建了這些 MyTi 踏板

這項(xiàng)技術(shù)由Headmade Materials發(fā)明并于 2021 年推出， Cold Metal Fusion的材料核心為一種金屬原料，金屬顆粒上覆蓋著一層薄薄的聚合物，在 SLS 3D 打印過(guò)程中將它們粘合在一起。這種材料旨在無(wú)縫融入任何可用 SLS 機(jī)器的日常操作（只有少數(shù)機(jī)器獲得“批準(zhǔn)”，下文會(huì)詳細(xì)介紹），因?yàn)镾LS 打印機(jī)的起價(jià)比大多數(shù)金屬 3D 打印機(jī)都要低。

現(xiàn)在不再僅使用尼龍等聚合物，而是使用不銹鋼（316L、17-4PH）、鈦和工具鋼等金屬。自推出以來(lái)，CMF 為 Tom Sturdy 的 Fiadh 鈦合金公路自行車的每位騎手提供了量身定制的重量?jī)?yōu)化鈦部件，并為學(xué)生方程式賽車“Stallardo 21”提供了改進(jìn)的低重量高容量部件。

冷金屬融合 3D 打印


△冷金屬融合需要幾個(gè)步驟，其中許多步驟與金屬注射成型相同

簡(jiǎn)而言之，冷金屬融合之所以有效，是因?yàn)?SLS 打印機(jī)使用上述專利金屬原料，就像他們長(zhǎng)期以來(lái)使用聚合物粉末來(lái)制造零件一樣。目前，聚合物涂層金屬原料僅由 Headmade Materials 提供。SLS 技術(shù)使用典型的聚合物材料，利用激光通過(guò)熱量和壓力將粉末塑料粘合在一起，逐層形成 3D 形狀。這是通過(guò)用一個(gè)或多個(gè)激光器（類型包括二極管、CO 2或光纖，功率范圍從 10 瓦到 60 瓦到 100 瓦）選擇性地?zé)�結(jié)聚合物顆粒來(lái)完成的。


△盡管冷金屬融合是從數(shù)字設(shè)計(jì)到最終金屬零件的多步驟過(guò)程，但能夠成為批量零件的生產(chǎn)方法

在 SLS 機(jī)器內(nèi)部的 CMF 流程中，SLS 機(jī)器必須具有開放參數(shù)或預(yù)安裝的材料配置文件，以根據(jù)金屬原料的要求調(diào)整溫度和其他設(shè)置。CMF 的溫度比用于打印的任何 SLS 機(jī)器低得多（低于 80°C），因此 Cold Metal Fusion 中使用了的“cold”一詞。金屬在此過(guò)程中并未熔化，而只是聚合物。

在每個(gè)部分之后，一層新的原料被鋪展在構(gòu)建層上，激光燒結(jié)它，并且該過(guò)程一次又一次地重復(fù)直到完成，不需要支撐結(jié)構(gòu)。結(jié)果是由填充有金屬粉末的塑料制成的素坯零件，這意味著粉末冶金中的任何金屬都可以使用，并且零件成本大大降低。

完成后，需要對(duì)部件進(jìn)行清潔和除粉，發(fā)明人表示，該素坯部件具有高強(qiáng)度和穩(wěn)定性，可以通過(guò)水壓或氣壓實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。生坯部件的耐用性進(jìn)一步使得在金屬燒結(jié)之前能夠進(jìn)行機(jī)械車削、銑削、鉆孔和磨削。由于整個(gè)過(guò)程的低溫，所有未使用的剩余金屬原料都可以在下次重復(fù)使用。從這里開始，就像在金屬注射成型 (MIM) 工藝中一樣，零件經(jīng)過(guò)化學(xué)脫脂，從零件中去除大部分聚合物，留下脫脂后的零件，準(zhǔn)備在最后階段的燒結(jié)爐中生產(chǎn)完整的金屬零件。最終的部分比最初打印的部分小。

所有使用聚合物粘合劑和金屬（金屬絲 3D 打印、金屬粘合劑噴射）制成的 3D 打印零件在聚合物被移除且零件被燒結(jié)后都會(huì)收縮。Headmade Materials 表示可以實(shí)現(xiàn)零件收縮均勻的目標(biāo)，無(wú)論零件尺寸、形狀或復(fù)雜程度如何，收縮率都是一致的。鋼的收縮率為 15%，鈦的收縮率為 12%。沒(méi)有特殊的軟件或計(jì)算。該公司表示，只需在 CAD 程序中將鋼制零件放大 15%，最終零件就會(huì)完全符合規(guī)格。

冷金屬融合材料與設(shè)備


△Headmade Materials 的金屬和聚合物原料有不銹鋼 316L 和 17-4PH、工具鋼 M2、鈦 Ti6Al4V 和 CP-Ti 1 級(jí)以及鎢

目前有一些材料可用于冷金屬熔合工藝，包括不銹鋼 316L、不銹鋼 17-4PH、工具鋼 M2、鈦 Ti6Al4V、鈦 CP-Ti（1 級(jí)）和鎢，另一種工具鋼 H13、Inconel 625 和鋁 6061 目前正在開發(fā)中。


△Headmade Materials 的金屬和聚合物原料

Headmade Materials 原料的價(jià)格并未公開，但該公司表示，該價(jià)格與粘合劑噴射工藝中使用的金屬粉末的價(jià)格相當(dāng)。在粘合劑噴射中，還有專有的粘合劑作為消耗品，但對(duì)于 Headmade Materials，原料是一種一體化材料。


△Cold Metal Fusion 需要的不僅僅是 SLS 3D 打印機(jī)。您需要脫脂設(shè)備和熔爐

該工藝需要一臺(tái)SLS打印機(jī)、一個(gè)脫脂站（帶溶劑）和一個(gè)燒結(jié)爐（MIM型）。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，脫脂和燒結(jié)步驟可以外包，因?yàn)檫@些額外的設(shè)備價(jià)格昂貴，而且這些步驟確實(shí)需要一定的專業(yè)知識(shí)。雖然從理論上講，任何開放式SLS機(jī)器都可以處理 Headmade Materials 的原料，但需要進(jìn)行一些調(diào)整和測(cè)試，而每個(gè)品牌的 SLS 機(jī)器都有所不同。

迄今為止，四家 SLS 機(jī)器制造商已與 Headmade Materials 合作進(jìn)行開發(fā)：

●EOS
●Nexa3D
●Sintratec
●華曙高科

預(yù)計(jì)會(huì)有更多 3D 打印機(jī)制造商加入，其中還包括精選的后處理機(jī)器制造商。這個(gè) CMF 俱樂(lè)部被稱為冷金屬融合聯(lián)盟。設(shè)備和軟件制造商聯(lián)盟合作提供捆綁產(chǎn)品，幫助用戶在還沒(méi)有設(shè)備的情況下開始使用 CMF，他們將自己的產(chǎn)品打包成兩個(gè)捆綁包：CMF LabSystem 和 CMF JobShop。

CMF LabSystem 是測(cè)試和小批量生產(chǎn)的基本選項(xiàng)，包括以下內(nèi)容：

●Sintratec S2 SLS 3D 打印機(jī)和材料處理站，用于除粉和真空清潔解決方案。

●Lomi 30 升脫脂站具有集成的溶劑脫脂和溶劑回收站。

●Carbolite 8 升管式燒結(jié)爐，配備針對(duì) CMF 優(yōu)化的自動(dòng)管式燒結(jié)爐、觸摸屏控制和 1,300°C 的最高工作溫度。

CMF JobShop 捆綁包專為那些有興趣開發(fā)自己的生產(chǎn)線的人而設(shè)計(jì)，包括以下內(nèi)容：

●華曙高科帶除粉站的 SLS 打印機(jī)

●Lomi 50 升自動(dòng)排膠站

●Carbolite 25 升間歇式燒結(jié)爐，具有精確的氣氛控制、1,600°C 的最高工作溫度和水冷爐壁。

更多捆綁包和選項(xiàng)正在開發(fā)中。或者，可以根據(jù)所需的零件或業(yè)務(wù)需求來(lái)設(shè)計(jì)和創(chuàng)建定制的生產(chǎn)解決方案。

誰(shuí)在使用冷金屬融合？


△采用 Cold Metal Fusion 技術(shù)為 SturdyCycles 打印的鈦?zhàn)孕熊嚽��?br />
對(duì) CMF 感興趣的公司和制造商可能正在尋找一種更經(jīng)濟(jì)的粘合劑噴射替代方案，用于小批量的金屬部件，或者希望利用現(xiàn)有的 SLS 硬件投資擴(kuò)展到金屬部件。但 CMF 對(duì)金屬注射成型公司尤其有吸引力，這些公司已經(jīng)擁有金屬除膠和燒結(jié)方面的專業(yè)知識(shí)，并且現(xiàn)在可以為其產(chǎn)品添加更快、更便宜、更靈活的制造方法。接下來(lái)讓我們看一下誰(shuí)在使用此工藝，將這項(xiàng)令人興奮的新技術(shù)用于最終用途零件。

得益于 CMF，去年定制公路自行車制造商 Sturdy Cycles 宣布將其鈦合金零件生產(chǎn)轉(zhuǎn)為 3D 打印。據(jù)報(bào)道，該公司董事 Tom Sturdy 是一家富有創(chuàng)新精神、熱愛(ài)技術(shù)的自行車車架制造商，他被 CMF 準(zhǔn)備工作減少所帶來(lái)的效率所吸引。用于Sturdy Cycles 高速、輕型、運(yùn)動(dòng)型公路自行車 The Fiadh 的多個(gè)組件由鈦合金零件專家 Element22 與 CMF 發(fā)明者 Headmade Materials 合作生產(chǎn)，包括車座、車把、中軸、曲柄組和后下叉。由于這些高性能自行車的獨(dú)特性質(zhì)（和成本），尺寸是根據(jù)每位騎手量身定制的。憑借 CMF 技術(shù)的穩(wěn)定性和由此產(chǎn)生的可重復(fù)性，現(xiàn)在可以更經(jīng)濟(jì)地大規(guī)模實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。


△這種鈦制油氣分離器采用冷金屬融合技術(shù)制成，重量輕，負(fù)載能力高

為了更多地使用該技術(shù)，在國(guó)際學(xué)生方程式比賽中，代表德國(guó)埃斯林根應(yīng)用科學(xué)大學(xué)的團(tuán)隊(duì)獲得了采用 CMF 技術(shù)生產(chǎn)的油氣分離器，這是 Headmade Materials 贊助的一部分。預(yù)計(jì)將提高 Stallardo 21 賽車最大性能的是由鈦合金 Ti6Al4V 制成的重量?jī)?yōu)化的高負(fù)載能力部件。未來(lái)，公司預(yù)計(jì)該技術(shù)的應(yīng)用通常會(huì)登陸高端消費(fèi)品市場(chǎng)，包括奢侈品行業(yè)、汽車，以及航空航天、醫(yī)療和精密機(jī)械領(lǐng)域的高科技材料。


△德國(guó)工具制造商 Utilis 使用 Cold Metal Fusion 打造了一種新型切削工具，其內(nèi)部冷卻通道可提高效率

另一家轉(zhuǎn)向 CMF 的公司是德國(guó)模具公司 Utilis AG。它與 CMF 零件制造商 MIMplus 和 Headmade Materials 合作，共同開發(fā)了 M2 工具鋼切削刀柄，該刀柄具有獨(dú)特的內(nèi)部冷卻液通道，可將切削刀具性能提高近 185%。得益于新的集成冷卻系統(tǒng)，Utilis 的客戶現(xiàn)在有機(jī)會(huì)將其切削刃的使用壽命延長(zhǎng)一倍或提高其切削價(jià)值，而無(wú)需經(jīng)歷更高的磨損。由于冷卻通道的直徑極小，需要在不破壞生坯部件的情況下清除粉末，因此集成冷卻系統(tǒng)只能通過(guò) 3D 打印實(shí)現(xiàn)。

金屬零件特性


△2023年9月，制造聚合物3D打印機(jī)的Nexa3D進(jìn)軍金屬3D打印市場(chǎng)。他們沒(méi)有推出新機(jī)器，而是推出了 Headmade Materials 的新材料，可以在選擇性激光燒結(jié) 3D 打印機(jī)上生產(chǎn)金屬零件

根據(jù)冷金屬融合聯(lián)盟白皮書，冷金屬融合金屬部件的特性完全可與金屬注射成型相媲美。下圖由冷金屬熔合聯(lián)盟提供，顯示了不銹鋼 316L 和鈦 Ti6Al4V 零件的屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和總伸長(zhǎng)率的零件特性的歸一化或標(biāo)準(zhǔn)化值。在 EOS Fromiga P110 SLS 3D 打印機(jī)上使用 ColdMetalFusion 生產(chǎn)的金屬零件超出了這些標(biāo)準(zhǔn)。


△使用 Cold Metal Fusion 采用 Headmade Materials 不銹鋼和鈦原料制成的零件的屈服強(qiáng)度、極限拉伸強(qiáng)度和總伸長(zhǎng)率超過(guò)了金屬注塑零件的標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)談到零件密度時(shí)，冷金屬融合聯(lián)盟表示，結(jié)果取決于材料、打印和燒結(jié)工藝，但不銹鋼 316L 的密度通常優(yōu)于 97%，液相合金的密度高達(dá) 100%。通過(guò)優(yōu)化每個(gè)金屬部件的工藝步驟，可重復(fù)密度可以達(dá)到 99%。

通過(guò)優(yōu)化的工藝參數(shù)，尺寸精度約為 ±100 微米或更高。其表面質(zhì)量可與其他 3D 打印零件（例如金屬粉末床熔合或金屬粘合劑噴射）相媲美。如果需要更好的表面質(zhì)量，可以在燒結(jié)前對(duì)生坯部件或在燒結(jié)后對(duì)金屬部件進(jìn)行額外的后處理。零件還可以進(jìn)行機(jī)械加工和拋光以滿足光潔度要求。

使用冷金屬熔合生產(chǎn)的金屬部件的硬度等特性與基礎(chǔ)合金的特性相對(duì)應(yīng)。根據(jù)冷金屬融合聯(lián)盟材料的說(shuō)法，這也意味著其他 3D 打印技術(shù)通常用于減少內(nèi)部零件應(yīng)力或達(dá)到特定硬度的熱處理或交聯(lián)是不必要的。金屬部件的硬度由底層合金和燒結(jié)工藝決定，而不是由 3D 打印工藝決定。目前，無(wú)需后處理步驟即可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 60 HRC 的硬度。

熱等靜壓 (HIP) 也可用于 Cold Metal Fusion 生產(chǎn)的金屬零件，以改善金屬零件的密度和晶粒結(jié)構(gòu)，但聯(lián)盟建議優(yōu)化零件設(shè)計(jì)和參數(shù)，以避免這種額外的后處理步驟。