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”,，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)�結(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，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。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。

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

●EOS
●Nexa3D
●Sintratec
●華曙高科

預(yù)計會有更多 3D 打印機制造商加入,，其中還包括精選的后處理機器制造商。這個 CMF 俱樂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)品打包成兩個捆綁包：CMF LabSystem 和 CMF JobShop,。

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

●Sintratec S2 SLS 3D 打印機和材料處理站，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 CMF 優(yōu)化的自動管式燒結(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，包括以下內(nèi)容：

●華曙高科帶除粉站的 SLS 打印機

●Lomi 50 升自動排膠站

●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。

更多捆綁包和選項正在開發(fā)中�,；蛘�,，可以根據(jù)所需的零件或業(yè)務(wù)需求來設(shè)計和創(chuàng)建定制的生產(chǎn)解決方案。

誰在使用冷金屬融合,？


△采用 Cold Metal Fusion 技術(shù)為 SturdyCycles 打印的鈦自行車曲柄

對 CMF 感興趣的公司和制造商可能正在尋找一種更經(jīng)濟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 硬件投資擴展到金屬部件,。但 CMF 對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，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。接下來讓我們看一下誰在使用此工藝,，將這項令人興奮的新技術(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)報道,，該公司董事 Tom Sturdy 是一家富有創(chuàng)新精神、熱愛技術(shù)的自行車車架制造商,，他被 CMF 準備工作減少所帶來的效率所吸引,。用于Sturdy Cycles 高速、輕型,、運動型公路自行車 The Fiadh 的多個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)濟地大規(guī)模實現(xiàn)這一目標,。


△這種鈦制油氣分離器采用冷金屬融合技術(shù)制成，重量輕,，負載能力高

為了更多地使用該技術(shù),，在國際學(xué)生方程式比賽中，代表德國埃斯林根應(yīng)用科學(xué)大學(xué)的團隊獲得了采用 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)計將提高 Stallardo 21 賽車最大性能的是由鈦合金 Ti6Al4V 制成的重量優(yōu)化的高負載能力部件。未來，公司預(yù)計該技術(shù)的應(yīng)用通常會登陸高端消費品市場,，包括奢侈品行業(yè),、汽車，以及航空航天,、醫(yī)療和精密機械領(lǐng)域的高科技材料,。


△德國工具制造商 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)在有機會將其切削刃的使用壽命延長一倍或提高其切削價值,，而無需經(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 3D 打印實現(xiàn),。

金屬零件特性


△2023年9月，制造聚合物3D打印機的Nexa3D進軍金屬3D打印市場,。他們沒有推出新機器,，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 零件的屈服強度,、拉伸強度和總伸長率的零件特性的歸一化或標準化值,。在 EOS Fromiga P110 SLS 3D 打印機上使用 ColdMetalFusion 生產(chǎn)的金屬零件超出了這些標準。


△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度,、極限拉伸強度和總伸長率超過了金屬注塑零件的標準

當談到零件密度時,，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 100%,。通過優(yōu)化每個金屬部件的工藝步驟,，可重復(fù)密度可以達到 99%。

通過優(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)前對生坯部件或在燒結(jié)后對金屬部件進行額外的后處理,。零件還可以進行機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)合金的特性相對應(yīng)。根據(jù)冷金屬融合聯(lián)盟材料的說法,，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,，無需后處理步驟即可實現(xiàn)高達 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)計和參數(shù)，以避免這種額外的后處理步驟,。