高粘度金屬漿料3D打印技術(shù),，Mantle燒結(jié)收縮率只有不到10%

導(dǎo)讀：在金屬3D打印領(lǐng)域中，像SLM,、SLS,、EBM等基于粉末成形的工藝多被人們所熟知，但行業(yè)內(nèi)對金屬漿料打印的研究就相對小眾許多,。在之前的文章中,，南極熊也曾整理了一些有關(guān)金屬3D漿料打印的案例（詳見相關(guān)報(bào)道：舊瓶裝新酒？解析金屬漿料直寫3D打印技術(shù)的研究現(xiàn)狀）,，但也多是以高校內(nèi)的實(shí)驗(yàn)室研究為主,，市場上對此類打印工藝的應(yīng)用案例并不常見。

近日,，南極熊獲悉，國外一家名為Mantle的初創(chuàng)3D打印公司就選擇金屬漿料打印作為他們的研究方向,，這家公司的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席科學(xué)官Steve Connor博士詳細(xì)解釋了他們公司在其金屬3D打印機(jī)中使用漿料作為材料的技術(shù)原因,，而不是像幾乎所有其他金屬3D打印機(jī)制造商使用的長絲、粉末或液體,。南極熊認(rèn)為其中有很多值得借鑒的地方,，特意整理了一些相關(guān)信息與大家分享。

△使用高粘度金屬漿料3D打印技術(shù)制造的零件


技術(shù)原理

Mantle 的 TrueShape™ 技術(shù)可從 CAD 文件打印、成型和燒結(jié)精密金屬零件,，其時(shí)間和成本僅為傳統(tǒng)制造的一小部分,。

△技術(shù)流程總體分為三步：打印→切割→燒結(jié),。首先,，Mantle 的 Flowable Metal Paste 材料使用精確定位系統(tǒng)和基于擠壓的打印頭打印成零件的形狀。同時(shí),，會使用刀具高速切割沉積層,，改善零件表面光潔度和細(xì)節(jié)。最后,，在高溫爐中,，零件被加熱到略低于其熔點(diǎn)的溫度，熔化成致密的固體金屬零件,。

△金屬3D打印糊狀材料,，來源：Mantle

Mantle公司作為3D打印領(lǐng)域的一家新創(chuàng)業(yè)公司，最近才從慢慢走進(jìn)大眾視野,，這一點(diǎn)要跟他們公司沒有進(jìn)行較多的的相關(guān)產(chǎn)品展覽有關(guān),。據(jù)了解，Mantle的市場定位是工業(yè)金屬工具,，他們的整個系統(tǒng)以及推出的金屬3D打印工藝也是圍繞這個市場設(shè)計(jì)的,。

簡而言之，Mantle的工藝特點(diǎn)在于是使用漿料擠出機(jī)來精確沉積金屬漿料,，從而達(dá)到成坯的效果,。隨后對沉積生坯進(jìn)行加熱以去除粘結(jié)劑，并將金屬顆粒燒結(jié)在一起,，然后進(jìn)行數(shù)控銑削動作以平滑表面,。這樣一層一層地重復(fù)，直到物體被建造出來,。

金屬3D打印材料：高粘度漿料

Mantle與大多數(shù)3D打印機(jī)制造商不同,，他們沒有遵循從技術(shù)入手后再去尋找市場的模式,。相反,，他們首先選擇了市場，然后才針對性地解決技術(shù)問題,。

△漿料金屬3D打印技術(shù)，比MIM、SLM,、粘合劑噴射等其它3D打印技術(shù)材料的優(yōu)勢 ,，來源：Mantle

TrueShape™ 工藝的基礎(chǔ)是一系列專有的可流動金屬漿料 (FMP) 材料。在液體中加入金屬顆粒,，以確保打印過程中的安全性和一致性,。漿料中不同的顆粒類型和尺寸可最大限度地減少燒結(jié)過程中的尺寸變化，優(yōu)化材料工藝獲得零件的最佳性能,。
Mantle 目前已有的材料包括：

• P2X 材料,，與流行的 P20 工具鋼類似，但具有更高的耐腐蝕性和耐磨性,。
• H13 材料,，就像標(biāo)準(zhǔn)的 H13 工具鋼一樣，可以硬化到大于 50 洛氏硬度,。
  

特殊配方的高硬度鋼與液體粘合劑混合,，配制成為金屬漿料。

金屬3D打印現(xiàn)在是一種應(yīng)用廣泛的技術(shù),，有多家供應(yīng)商都在提供相關(guān)產(chǎn)品,。大多數(shù)廠家都選擇使用粉末床熔融（PBF）工藝，原理是粉末被移動的高能熱源選擇性地逐層熔化,。其他金屬成形工藝還包括以金屬納米顆粒的液體（如噴射型Xjet）和高純度的金屬絲（如同軸送絲激光焊接）為原材料進(jìn)行打印的方法,。

雖然上述這些工藝確實(shí)有效,，并已被許多公司成功使用，但每種工藝都有各自的挑戰(zhàn),。一些工藝只能生產(chǎn)低精度的零件,，另一些制造的工件強(qiáng)度較差。還有一些涉及復(fù)雜的設(shè)備環(huán)境,，以防止操作過程中出現(xiàn)污染,、雜質(zhì)等，大多數(shù)就算制造出來成本也是相當(dāng)昂貴的,。

Mantle評估了所有這些工藝以及更多的工藝,，但最終選擇了漿料作為他們的材料類型。據(jù)了解,，這在金屬3D打印行業(yè)內(nèi)是十分罕見的,。

使用"單一金屬粉末"進(jìn)行打印有許多挑戰(zhàn)。PBF確實(shí)有效,，但很難做到,，首先高昂的成本就是首要考慮的問題,，當(dāng)然針對于航空、軍工等這些不計(jì)成本的領(lǐng)域就另當(dāng)別論了,。這也是Mantle公司放棄了粉末成形方式的原因,，因?yàn)樗麄兊哪繕?biāo)市場與航空業(yè)不同，很可能無法承擔(dān)這種工藝的成本,。

Mantle還遇到了液體金屬墨水打印常見的問題,，因?yàn)殡m然液態(tài)墨水很容易流到沉積噴嘴，但在沉積后很難控制,，這促使他們考慮采用更高粘度的漿料式打印,。

Connor解釋了漿料材料的好處："在測試了許多不同的材料后，我們覺得可流動的金屬漿料最能滿足我們的核心需求,，原因有很多,。首先，通過使用在不同溫度下粘度可調(diào)節(jié)的多組分漿料,，我們可以非常準(zhǔn)確地進(jìn)行打印,，并在擠壓后填補(bǔ)縫隙，同時(shí)防止厚的部分坍塌或流離位置,。這也允許我們實(shí)現(xiàn)高的打印密度,，這意味著我們可以獲得具有優(yōu)良的表面光潔度和高機(jī)械性能的部件。第二,，漿料簡化了其他原料的處理和儲存問題,，保存壽命長。第三,，漿料在燒結(jié)過程中具有8-10%的低收縮率,，這有助于我們滿足工具制造商的精度要求。第四,，漿料還使我們的打印機(jī)能夠使用更簡單的機(jī)器設(shè)計(jì)：我們只需要一個噴嘴,，而不是成百上千個噴嘴，這就降低了成本,，簡化了維護(hù),。"

南極熊認(rèn)為，高粘度金屬漿料打印的低收縮率也是Mantle選擇該工藝進(jìn)行嘗試的重要原因之一,，畢竟他們聲稱的收縮率僅有8-10%,。像其他漿料體系在脫膠和燒結(jié)過程中，零件的收縮率通常高達(dá)20%,。因此,，Mantle公司一定有一些特定的裝載體系，既能很好的維持生坯強(qiáng)度又容易脫除,，且不會對燒結(jié)后的形狀造成大的影響,。如果他們沒有，就不能可靠地達(dá)到這種精度,。不過看來目前他們已經(jīng)解決了這個問題,，或者至少最大限度地減少了降低收縮率這個問題。

筆者在想,，在聽到漿料材料的諸多優(yōu)點(diǎn)后,，其他人是否會考慮使用它？其實(shí)國內(nèi),，也已經(jīng)有一些先驅(qū)者在做相關(guān)方面的嘗試,，例如長沙墨科瑞團(tuán)隊(duì)、深圳升華三維等,，并且也取得了不錯的成績,。也許未來，用更廉價(jià)的材料的增材工藝來替代相當(dāng)昂貴的PBF粉末床金屬3D打印系統(tǒng)可能會越來越有吸引力,。

應(yīng)用領(lǐng)域
南極熊了解到,，Mantle著眼于價(jià)值 450 億美元的模具和工具行業(yè)， TrueShape 打印機(jī)具有三個主要優(yōu)勢：更快的生產(chǎn)時(shí)間,、更低的成本以及制造可縮短成型周期的隨形冷卻通道的能力,。

它通常用于打印一些最復(fù)雜的模具部件，例如嵌件,。這些嵌件通常是模具中最昂貴和最耗時(shí)的方面,，也是 Mantle 最能發(fā)揮價(jià)值的地方。當(dāng)然,，模具還有其他部件,，例如模座、流道,、頂出銷等,，通常還是按常規(guī)制造的。然后3D打印嵌件與模架的其余部分組裝在一起,，形成整個模具,。