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博客文章

“間接”金屬3D列印新流派,會對“直接”造成什麼衝擊?

 

金屬3D列印是目前3D列印領域最讓人關注的話題,從飛機發動機元件到空間衛星零件的製造都將金屬3D列印變成話題的聚焦點。但實際情況是,金屬3D列印是個寬泛的概念,這其中包含了非常多樣化的技術,這些技術我們通常不加以區分而是堆積在一起相提並論,儘管他們使用不同的列印技術和不同的金屬原料(金屬粉末、金屬絲或者是金屬片材)。

 

不過,整體上可以分為兩類,第一種是包括粉末床融化(SLM,EBM),直接能量沉積(LENS)等技術的“直接金屬3D列印技術”;第二種是包括金屬注射成形(MIM)、粘合劑噴射、FDM熔融擠出金屬3D列印技術等需要後處理加熱除去粘結劑和燒結的“間接金屬3D列印技術”。並且“間接”技術的相關公司,例如Markforged、Desktop Metal等不斷獲得大額融資,來勢洶洶,風光一時,進而引起《“間接”金屬3D列印新流派,會對“直接”造成什麼衝擊?》這樣的思考和討論接下來,南極熊盤點那些“間接金屬3D列印技術”廠商和設備,讓熊友全面瞭解下,望周知!

 

Markforged“原子擴散增材製造”(ADAM)技術

廠商:美國3D印表機廠商Markforged

機型:Metal X金屬3D印表機

 

 

△Metal X金屬3D印表機

 

技術解析:

ADAM與粘合劑噴射技術有些類似 ,首先,會通過層層沉積被塑膠粘合劑包裹著的金屬粉末構建出3D實體,然後通過燒結將粘合劑去除,最後只留下金屬的部分。值得注意的是,由於燒結過程是一種整體性的燒結,能讓金屬晶體“穿過”粘結層,所以出自這種技術的列印件強度很高,能直接應用於工業。原子擴散是高溫下原子的熱運動打破了晶體的位置束縛而產生的換位與移動,通常在高溫發生的相變和析出過程中,鐵原子和合金原子通過擴散改變相結構和成分,這就是擴散相變。

 

採用ADAM與粘合劑噴射技術的Markforged 金屬3D印表機使用的材料是線材!不是金屬粉末,而是金屬線材!這意味著METAL X可以更方便的被使用!它不需要嚴格的使用環境,而且,METAL X可列印出來的零部件在經過燒結之後可以直接使用!

 

△Metal X金屬3D印表機列印過程

Metal X的材料相容性也很好,目前能列印鈦、鋁、高端不銹鋼17-4和303等多種金屬,未來據說還能列印常用於注塑工藝的工具鋼。另外,它還配備了可連接雲軟體Eiger的鐳射檢測系統,能在列印過程中檢測每一個列印層的情況。

 

Metal X金屬3D印表機樣件

特點:

成本低廉:使用成本僅為其它金屬3D印表機的十分之一,是傳統金屬加工製造的百分之一。

使用方便:基於雲的印表機管理軟體、內置的觸控式螢幕介面和自動跟蹤材料使得Metal X系統是製造金屬零件最簡單的方法。

優勢:

通過列印在塑膠基體中的金屬粉末,消除了傳統金屬3D列印所帶來的安全風險,同時使新的功能,如封閉的細胞填充,以減少部分重量和成本。

 

Metal X金屬3D印表機參數:

列印尺寸

250mm×220mm×200mm

監測參數

50微米電子束直徑

 

1微米z軸解析度

 

機器尺寸

575mm×467mm×1432mm

Z軸解析度

50微米

列印材料

17-4不銹鋼

 

303不銹鋼

 

A-2工具鋼

 

D-2工具鋼

 

6061鋁合金

 

7075鋁合金

 

IN Alloy(inconel)625

 

TitaniumTi-6Al-4V

 

軟體

單一用戶登錄

 

雙重身份驗證

 

管理列印佇列

 

第一時間使用新功能

 

 

基於雲端

 

本機存放區

 

 

以色列XJet納米顆粒噴射成型技術

廠商:以色列XJet

機型:Carmel 700和Carmel 1400

 

 

△Carmel 1400  3D印表機

 

技術解析:

XJET 3D列印技術的進化源泉,最開始時候惠普的平面列印技術,接著進化到Objet噴射3D列印技術(材料是石膏粉末+粘合劑+著色劑),現在進化到XJET 3D列印技術(材料是金屬微顆粒+粘合劑),技術路線一脈相承但又得到巨大進步。

 

技術原理:

1.將大分子金屬顆粒粉碎成納米級顆粒;

 

 

2.將納米金屬顆粒注入粘合劑,構成完整的列印墨水;

 

 

3.通過特製的噴頭將墨水噴出實現列印;

 

 

4.成型之後,構建室會將前面起到的粘合劑蒸發,只留下金屬部分,成型溫度約為300℃:;

 

 

 

技術特點:

①更高的產品精度

②更靈活的產品尺寸

③材料利用率高,節約成本

④直接獲得可應用的產品,不用打磨

⑤無需惰性氣體或者真空環境,更加安全

⑥材料選擇方便,顆粒度也可調節

⑦支撐更容易去掉

⑧整個列印流程更加簡單

但也有缺點,就是列印件對溫度的耐受能力較傳統金屬3D列印更低。

 

XJet納米顆粒噴射成型技術列印金屬樣件

 

這種新技術的好處之一就是能使用普通的噴墨打印頭作為工具。好處之二則是無需借助任何外力即可通過專門的技術融化去除支撐結構 — 與普通的選擇性鐳射燒結(SLS)金屬3D列印工藝需要以同樣的材料建立支撐相比不但更容易實現,能顯著減少浪費,從而降低成本,而且還能給予設計師更大的自由 — 因為它是通過融化去除的,所以理論上可以無限添加。

 

Carmel 700和Carmel 1400  3D印表機介紹

相同點:

①既能列印金屬又能列印陶瓷,且列印品質(包括表面品質、細節和精度)很高。

②都採用了互動式觸控式螢幕,操作十分簡單。

③列印的支撐結構很容易拆除。

 

不同點:

①Carmel 700的列印尺寸較小,為500毫米 x 140毫米 x 200毫米,Carmel 1400則要大一些,為500毫米 x 280毫米 x 200毫米(約1400立方釐米)。

②Carmel 1400可以通過app遠端控制和監視,而Carmel 700不行。

③會使用不同的墨水來列印目標物件和支撐結構。

 

HP Metal Jet(金屬噴射)3D列印技術(voxel-level binder jetting technology”(體素級粘合劑噴射技術))

廠商:惠普

機型:HP Metal Jet 金屬3D印表機

 

 

△HP Metal Jet 金屬3D印表機

技術原理:

惠普Metal Jet先採用的HP Metal Jet(金屬噴射)3D列印技術列印,然後再進爐燒結。HP黏結劑是一種水基聚合物液體劑,通過熱噴墨打印頭噴射,粘結劑在粉末床上通過毛細作用力浸入粉末間隙,實現均勻分佈,在高溫輻照下將金屬顆粒結合在一起,同時溶劑部分揮發。列印完成之後,零件要進爐燒結,粘結劑在此過程中分解,據惠普公開的資料顯示,零件的緻密度為93%。

 

技術圖解:

將粉末層層鋪在平臺上,然後選擇性地噴射粘合劑,使金屬粉末固化。列印結束後將零件放入爐中燒結。冷卻後可以對零件進行機加工和拋光,以滿足尺寸和表面光潔度要求。金屬印表機的每個打印頭能夠生成一個108毫米(4.25英寸)的列印頻寬,列印帶包括兩個獨立的結構,每個結構擁有5,280個噴嘴。

 

 

 

惠普Metal Jet優勢:

高效率

成型尺寸430 x 320 x 200 mm。

短短幾天內就可以完成設計反覆運算,加速產品開發。

無需脫脂,無需複雜的後處理。而在金屬注射成型(MIM)中,需要長達20個小時的脫脂過程。

HP Metal Jet解決方案,縮短流程,提高製造效率。

 

低成本

金屬3D印表機的價格低於399,000美元(約2,740,000人民幣,該價格為2020年HP印表機上市的預估價格)。

HP平臺是開放式的,與低成本材料、燒結後處理方案都有著很好的相容性。

很高的可重複使用率,減少材料浪費。

 

高品質

實現複雜零件的列印,精度高達1200 x 1200 dpi 。(什麼是dpi呢?指的是把一英寸分為1200等份,每一份的精度)層厚可達到50至100微米。

HP自主研發的專用粘合劑,保證金屬零件的機械強度。

燒結後的密度> 93%,與MIM相似。

嚴格的工業製造技術,實現穩定、一致的列印品質。已經達到甚至超越了ASTM行業標準(美國材料與試驗協會)。

 

 

△HP Metal Jet 列印樣件

 

類似的,還有粘合劑噴射技術專家ExOne推出了X1 25PRO,這是一款結合了公司的INNOVENT +精細金屬注射成型(MIM)技術和生產量能力的新型3D印表機。新機器的開發以MIM,粉末冶金和製造客戶為中心,非常適合批量生產。

 

△利用X1 25PRO,客戶將能夠使用粉末冶金標準粉末生產高品質的零件,包括316L,304L和17-4PH不銹鋼; Inconel 718和625; M2和H11工具鋼; 鈷鉻合金; 銅; 碳化鎢鈷; 和其他的金屬合金。

 

瑞典DigitalMetal粘合劑噴射金屬3D列印技術

廠商:瑞典DigitalMetal

機型:DMP2500粘合劑噴射金屬3D印表機

 

△DMP2500粘合劑噴射金屬3D印表機

 

瑞典DigitalMetal DMP2500高精度的粘合劑噴射金屬3D印表機,能生產“比之前的任何技術更小、更複雜的部件”。

 

技術原理:

粘結劑噴射用於3D列印複雜零件與工業級材料。它是一種增材製造過程,其中液體結合劑被存放加入金屬粉末微粒。然後將層狀材料粘合成金屬物體。通過粉末和粘結劑的分層列印。這不是一種新技術,基於粘合劑的3D列印技術是在麻省理工學院開發的,已經20年。現在,因為專利已經過期,所以得到迅猛的發展。

DMP2500:

這款機器使用金屬粉末,能進行連續生產,是製造定制零件的理想選擇,列印速度高達100立方釐米/小時,列印層厚為42微米。它有一個較大的構建體積,為2500立方釐米,單次可以列印多達50000個的零件。更好的是,這些列印件不需要支撐結構。這款機器也非常高效,因為它可以重新使用在燒結前清理下來的粉末。這導致了高產量和低廢品率,意味著停機時間將保持在*水準。此外,由於部件內部結構發生了相對較小(但在以前是無法實現的)的變化,總體的產品效率提高了30%。

 

DMP2500技術規格:35分微米的XY解析度,處理前的平均表面粗糙度為Ra6微米。這些數位意味著印表機可以生產出“具有醫療級平滑度的複雜結構”,即使列印件的尺寸很小。DMP2500能處理幾種材料,因為列印後還會進行燒結。

 

 

FDM金屬注射成形(MIM)3D列印技術

廠商:佛山亙易隆

設備:亙易隆P/F2DM

 

△亙易隆P/F2DM

技術原理:

基本工藝過程是:將金屬粉末與粘結劑,製成具有流變特性的混合材料,通過FDM技術列印成形件毛坯,毛坯件經過脫除粘結劑和高溫燒結後,即可得到各種金屬零部件。

 

技術特點:

1、適合各種粉末材料的成形,產品應用十分廣泛;

2、原材料利用率高,生產自動化程度高,適合連續大批量生產。

3、能直接成形幾何形狀複雜的小型零件(0.03g~200g);

4、零件尺寸精度高(±0.1%~±0.5%),表面光潔度好(粗糙度1~5μm);

5、產品相對密度高(95~100%),組織均勻,性能優異。

 

MIM技術的工藝流程圖:

 

 

 

△亙易隆P/F2DM列印樣件

亙易隆P/F2DM適應的材料

常規不銹鋼系列 S304L S316L 17-4PH

低合金鋼系列 Fe 2 Ni Fe8Ni 8740

超合金系列 Inconel718 Inconel713C Inconel625

工具、模具鋼系列 SKD11 SKH51

陶瓷系列 AL 2 O 3  SiC ZrO 2

其它無機材料及高分子材料

 

易隆3D金屬顆粒成形機特點:

顆粒成形,列印特製金屬顆粒,熔點接近合金顆粒,金屬顆粒成形後要脫脂,燒結。

可以直接列印PLA等顆粒,和FDM比不需要卷成線材,節省成本,知道不同材料融化溫度,調節適合的列印溫度就可

顆粒成形不堵頭,列印連續性好

 

GE噴射粘合劑金屬3D印表機

廠商:GE

設備:H1 3D印表機原型(未發佈)

 

△H1 3D印表機原型

技術原理:

粘合劑噴射技術使用粘合劑材料將金屬粉末顆粒粘合成特定的形狀和結構。該工藝與鐳射燒結工藝明顯不同,鐳射燒結工藝使用雷射光束熔化金屬粉末和熔合層,直到形成一個形狀。粘合劑噴射技術就其本身而言將特定的(和專有的)粘合劑材料沉積到平整的金屬粉末的列印床上,這使得金屬顆粒在施加膠水的任何地方粘在一起。一層一層重複,直到所需的結構(由三維模型確定)完成。

 

GE聲稱,其粘合劑噴射3D印表機比鐳射系統列印“速度至少快10倍”。而且,它也能夠生產更大的零件。該技術唯一的缺點(與鐳射3D列印相比)是,列印的部件需要更多的後處理。也就是說,由於金屬顆粒被簡單地粘合在一起,所以列印物體仍然相對較為脆弱,必須在工業級烘箱中固化以使金屬顆粒適當地融合在一起。

 

△列印樣件

 

粘結劑噴射技術於金屬列印的意義

1)成型材料多樣化:SLM與EBM,尤其是鐳射與粉末相互作用過程,涉及到粉末吸收率的問題,很多高反射金屬粉末難以熔化成型;也有很多特殊成分的粉末無法實現光潔成型,導致列印失敗(如一種合金,主要成分的熔點低於另一種成分的沸點)。粘結劑噴射技術的成型特點,較好的避免了這種現象的發生。

 

2)後處理更加方便:在支撐添加方面,粘結劑噴射技術也有較大的優勢,由於採用粉末自支撐,後處理大大簡化。而且不必為了減少支撐而遷就擺放方式,盡可能按照減少時間的方向列印提高效率。

 

3) 列印結構更加複雜:有些空腔、封閉網格結構採用SLM需要添加複雜的支撐,而粘結劑噴射技術可較好的規避該問題。

 

4)清粉方式更加友好:粘結劑噴射技術粉末的清理不必像SLM那樣完全清理和篩分,僅需要回收裝置定點吸粉即可。

 

5)成型幅面更大:由於不存在大幅面失真問題,粘結劑噴射技術可實現大幅面成型,exone的一款金屬噴墨印表機達到了800x500x400mm的成型尺寸。

 

6)維護更加方便:SLM採用鐳射成型,須定期對鐳射光路進行維護,需要售後人員上門服務;同樣,EBM也存在保養維護的問題。而粘結劑噴射技術要簡單的多,只需要對噴頭進行清洗,簡單方便。

 

Desktop Metal結合金屬沉積(BMD)

廠商:美國Desktop Metal

設備:桌面級的Studio和工業級的Production

 

技術原理:

結合金屬沉積(BMD)與目前金屬3D列印最常用的鐳射熔融(SLM)不同(不會用到雷射器,使用的材料也並非金屬粉末),與熔融沉積(FDM)類似,都是通過擠出液滴再層層堆積的方式構建3D實體的,只不過材料不是塑膠,而是金屬。以金屬絲材為原材料,通過電感等方式熔化絲材,並在靜電力/磁場等作用下控制噴嘴出液滴的表面張力,在壓力等作用下將金屬液滴沉積在成形平臺上;成形過程中會控制平臺、噴射系統的溫度,並對形成的缺陷進行監控並予以修復。

 

技術圖解:

 

△鋪粉器將金屬粉末精確的鋪在列印區上,碾壓系統將粉末壓成頭髮一樣纖細的薄層

 

 

△16000個噴頭以每秒百萬滴的速度噴射出粘合劑,將金屬粉末粘合在一起,形成高解析度的薄層

 

 

△然後噴灑防燒結劑,説明去除零件支撐結構,為後處理節省時間

 

△烤幹薄層,如此反復操作

 

 

△金屬零件就被一層一層的列印出來,列印速度非常快

 

 

△最後放到微波熔爐中進行緻密化處理,也就是通過高溫加熱讓金屬粉末燒結到一起,同時去除掉剛才噴到薄層之間的粘合劑。

 

技術優勢:

  • 金屬3D印表機成本一定程度降低;
  • 列印耗材的成本一定程度降低;
  • 對於工作環境的要求會大幅度的降低。

 

 

studio亮點  :

1.安全且簡單

因為不使用鐳射,也避免了粉塵污染,DM studio System對任何環境來說都是安全的。與其他系統不同的是,DM studio System不需要協力廠商設備、外部通風或特殊設施,只需要電力和互聯網連接。

 

2.可分離的支撐

DM studio System專有的可分離式支撐使得可以通過手動移除支援結構。金屬後處理加工的巨大難點被完美解決。。

 

3.高緻密度,高品質的零件

SYS的工藝技術保證了高品質的部件,密度在96%-99%之間(取決於使用的合金材料),零件的性能與鍛件類似。

 

 

Virtual Foundry低成本金屬3D列印方案,FDM成型→脫脂→燒結

廠商:Virtual Foundry設備:原型機

 

技術原理:

 

列印分為三個階段,即3D列印→脫粘→燒結。它在成本、安全性和可用性方面都有很大優勢。 Virtual Foundry的金屬3D列印系統提供從CAD到金屬部件的完整工作流程解決方案。人們能夠以低至10,000美元的價格實現3D列印金屬。

 

列印:Virtual Foundry的Filamet™金屬3D列印線材,從家庭級到工業3D印表機中都能夠完美地工作。如果用戶會列印PLA,就可以列印Filamet™。不需要特別的調整或設備,這些金屬含量83+%的絲材,就像普通的3D印表機一樣使用。

 

脫脂:Filamet™列印的物品只需加熱即可清除粘接劑,因此此步驟不需要額外的設備,很容易達到燒結過程。

 

燒結:Virtual Foundry使用最高溫度為1400°C的爐子,提供全自動燒結。使用閉環熱控制,它可以預先程式設計設定。套件包括開始所需的東西:真空泵,夾鉗,手套,燒結船和耐火壓載物。

 

 

技術優點:

– 使用您普通的3D印表機。

– 尺寸僅限於3D印表機和爐子的限制。

– 安全性很高,在生產的任何階段,都不會有金屬粉末飄到空氣中。它還可以融入到低成本的金屬3D列印教育解決方案中。教育工作者已經在新材料和金屬增材的課程中加入了Filamet™。