什么是冷金屬融合(Cold Metal Fusion)3D打印?
時間：2023-10-07 16:48 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
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。簡單來說是將一種新材料集成到機械系統(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？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 打印機上使用 Cold Metal Fusion 技術(shù)創(chuàng)建了這些 MyTi 踏板
這項技術(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 打印過程中將它們粘合在一起。這種材料旨在無縫融入任何可用 SLS 機器的日常操作（只有少數(shù)機器獲得“批準(zhǔn)”，下文會詳細介紹），因為SLS 打印機的起價比大多數(shù)金屬 3D 打印機都要低。
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，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優(yōu)化鈦部件，并為學(xué)生方程式賽車“Stallardo 21”提供了改進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步驟，其中許多步驟與金屬注射成型相同
簡而言之，冷金屬融合之所以有效，是因為 SLS 打印機使用上述專利金屬原料，就像他們長期以來使用聚合物粉末來制造零件一樣。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。這是通過用一個或多個激光器（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)Y(jié)聚合物顆粒來完成的。
△盡管冷金屬融合是從數(shù)字設(shè)計到最終金屬零件的多步驟過程，但能夠成為批量零件的生產(chǎn)方法
在 SLS 機器內(nèi)部的 CMF 流程中，SLS 機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。金屬在此過程中并未熔化，而只是聚合物。
在每個部分之后，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，需要對部件進行清潔和除粉，發(fā)明人表示，該素坯部件具有高強度和穩(wěn)定性，可以通過水壓或氣壓實現(xiàn)自動化。生坯部件的耐用性進一步使得在金屬燒結(jié)之前能夠進行機械車削、銑削、鉆孔和磨削。由于整個過程的低溫，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)后都會收縮。Headmade Materials 表示可以實現(xiàn)零件收縮均勻的目標(biāo)，無論零件尺寸、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%。沒有特殊的軟件或計算。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）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 原料的價格并未公開，但該公司表示，該價格與粘合劑噴射工藝中使用的金屬粉末的價格相當(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。您需要脫脂設(shè)備和熔爐
該工藝需要一臺SLS打印機、一個脫脂站（帶溶劑）和一個燒結(jié)爐（MIM型）。嚴(yán)格來說，脫脂和燒結(jié)步驟可以外包，因為這些額外的設(shè)備價格昂貴，而且這些步驟確實需要一定的專業(yè)知識。雖然從理論上講，任何開放式SLS機器都可以處理 Headmade Materials 的原料，但需要進行一些調(diào)整和測試，而每個品牌的 SLS 機器都有所不同。
△自行車零件初創(chuàng)公司 Titanum 和制造商 Element22 合作，在 EOS SLS 3D 打印機上使用 Cold Metal Fusion 技術(shù)創(chuàng)建了這些 MyTi 踏板
這項技術(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 打印過程中將它們粘合在一起。這種材料旨在無縫融入任何可用 SLS 機器的日常操作（只有少數(shù)機器獲得“批準(zhǔn)”，下文會詳細介紹），因為SLS 打印機的起價比大多數(shù)金屬 3D 打印機都要低。
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，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優(yōu)化鈦部件，并為學(xué)生方程式賽車“Stallardo 21”提供了改進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步驟，其中許多步驟與金屬注射成型相同
簡而言之，冷金屬融合之所以有效，是因為 SLS 打印機使用上述專利金屬原料，就像他們長期以來使用聚合物粉末來制造零件一樣。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。這是通過用一個或多個激光器（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)Y(jié)聚合物顆粒來完成的。
△盡管冷金屬融合是從數(shù)字設(shè)計到最終金屬零件的多步驟過程，但能夠成為批量零件的生產(chǎn)方法
在 SLS 機器內(nèi)部的 CMF 流程中，SLS 機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。金屬在此過程中并未熔化，而只是聚合物。
在每個部分之后，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，需要對部件進行清潔和除粉，發(fā)明人表示，該素坯部件具有高強度和穩(wěn)定性，可以通過水壓或氣壓實現(xiàn)自動化。生坯部件的耐用性進一步使得在金屬燒結(jié)之前能夠進行機械車削、銑削、鉆孔和磨削。由于整個過程的低溫，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)后都會收縮。Headmade Materials 表示可以實現(xiàn)零件收縮均勻的目標(biāo)，無論零件尺寸、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%。沒有特殊的軟件或計算。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）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 原料的價格并未公開，但該公司表示，該價格與粘合劑噴射工藝中使用的金屬粉末的價格相當(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。您需要脫脂設(shè)備和熔爐
該工藝需要一臺SLS打印機、一個脫脂站（帶溶劑）和一個燒結(jié)爐（MIM型）。嚴(yán)格來說，脫脂和燒結(jié)步驟可以外包，因為這些額外的設(shè)備價格昂貴，而且這些步驟確實需要一定的專業(yè)知識。雖然從理論上講，任何開放式SLS機器都可以處理 Headmade Materials 的原料，但需要進行一些調(diào)整和測試，而每個品牌的 SLS 機器都有所不同。
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