金屬絲3D打印：過程、絲材、打印機以及特點
魔猴君 知識堂 529天前
導讀：金屬燈絲極大地擴大了金屬3D打印的使用范圍，適用于那些因價格過高而無法使用該技術的廣大專業人士。如今，金屬絲打印，也稱為熔融金屬沉積 (BMD) 或金屬沉積成型 (MDM)，適合制造小型替換零件或注塑模具。用金屬絲制造金屬部件不僅比其他單件或小批量金屬3D打印技術便宜 90%，而且避免與使用金屬粉末和激光金屬3D打印相關的安全問題，提供相同的設計自由度和非常相似的零件質量。那么如何輕松且經濟地獲得3D打印的金屬部件呢？
△在 Desktop Metal Studio System 上制作的金屬 3D 打印部件 如今，包括 Anycubic 在內的更多桌面熔融沉積建模 (FDM) 3D 打印機制造商推出了金屬打印機配置文件，使用戶能夠在其經濟實惠的機器上使用金屬絲進行打印。其他 FDM 打印機制造商，如 Ultimaker、BCN3D 和 zortrax，已經推出了適應于金屬打印的相關套件，包括型材、燈絲和噴嘴。第三類桌面 3D 打印機是專用于金屬絲的打印機，例如 Raise3D 的 Forge1 和 Markforged 的 Metal X。
在下文將介紹金屬絲打印的獨特特性和功能，介紹了如何使用金屬絲進行打印以及可以獲得的機械性能。此外，本文的最后還介紹了一些金屬絲3D打印機可供選擇。
△使用 Ultrafuse 金屬絲在 Raise3D 的 Forge1 3D 打印機上打印金屬部件 用于打印的金屬絲成分為塑料基，金屬顆粒均勻地注入其中，是一種復合長絲，可以產生堅固、耐化學腐蝕且固含量很高的金屬部件 (98%+)。與其他類型的長絲不同，金屬絲在打印后還需要兩步到三步的后處理，其中包括在化學溶劑中從打印件中去除聚合物，然后將打印件放入燒結爐中，將其凝結成一個金屬零件。
要注意，這里談到的金屬絲不僅僅是具有金屬顏色或裝飾性金屬的絲材。不要將這些金屬絲與用于裝飾目的的金屬絲混淆。金屬絲根據其顏色簡稱為“鋁”或“銅”，有些以 PLA+金屬的形式出售，僅包含 5% 至 40% 的金屬粉末。一些裝飾性金屬絲，如 Formfutura 的 MetalFil Classic Copper 和 ProtoPasta 的鐵填充 PLA，含有高百分比的金屬粉末（高達 80%），但僅用于模擬金屬外觀。這些不需要任何類型的后處理來去除塑料，但可以通過拉絲、打磨或拋光使其看起來和感覺像金屬。
△使用 Anycubic 的金屬絲和 3D 打印機的 3D 打印金屬部件 與任何其他絲材相比，使用金屬長絲的零件設計、方向、壁厚和支撐結構都不同。在Ender 3 或 Anet A8等機器上進行打印時，請務必遵循絲制造商和打印機制造商的設計指南。在有理想的切片機和打印機設置的機器上，可確保您從一開始就充分利用材料，而無需試驗床溫和擠出速度，減少絲材的浪費。例如，少數 FDM 打印機制造商（Makerbot、UltiMaker、Raise3D、Zortrax 和 BCN3D）已經認證了 Ultrafuse 品牌金屬絲用于他們的打印機，并與 Ultrafuse 制造商 BASF Forward AM 合作開發了經過長時間使用的理想打印機設置。但如果制造商尚未測試或認證金屬絲打印，用戶可能會遇到打印失敗的情況。一般情況下，金屬絲起價為每 500 克 150 美元。
△使用 Nanoe 的 Zetamix 316L 不銹鋼打印的部件大約有 80% 的致密金屬部件 如果打印機制造商沒有提供合適的打印速度，那么找到合適的打印速度是一個挑戰。金屬絲打印速度相對較慢，需要根據機器和零件的設計進行調整，一般情況下以30毫米/秒或40毫米/秒的速度開始打印，與打印尼龍所用的速度相同。
請注意，零件在后處理時會收縮（從其原始體積的 18% 到 25%，具體取決于長絲的設計和品牌），因為其中的塑料材料被去除，剩余的金屬被壓縮.。在打印尺寸精度優先的功能部件時，這會帶來不小的挑戰。但是，同一種絲材的收縮系數是一致的，因此可以根據收縮率適當縮放初始CAD模型，切片軟件可以自動為您計算。
Forward AM 的 Ultrafuse 在 XY 軸上具有 16-17% 的收縮率，在 Z 軸上具有 19-20% 的收縮率。使用來自 The Virtual Foundry 的 Filamet 品牌金屬絲，您可以計劃使用公司公布的脫脂/燒結工藝將銅和青銅的打印品縮小約 5%，將鋼縮小 10%。該公司表示，總體而言，正常收縮率為 7-10%。最終部件的致密度為 80-85%，但部件可以燒結更長時間，這意味著收縮更多，密度更高。
下面的打印機制造商將脫脂裝置和燒結裝置作為一個包提供，它們提供工作流軟件，有助于確保您的零件符合設計指南，并優化所有打印和燒結設置。對于跳過脫脂階段的燈絲，例如 Virtual Foundry 和 Nanovia，生坯必須在熱脫脂階段埋入氧化鋁粉末中，這是另一種需要購買的材料，但比脫脂裝置便宜。
△使用 Ultrafuse 金屬絲套件在 UltiMaker S5 上打印的不銹鋼部件
金屬絲設計
首先，根據MakerBot（現為 UltiMaker 的一部分）開發的金屬絲打印指南，模型高寬比應保持在 3:1 以下，壁高寬比應保持在 6:1 以下，以防止在脫脂和燒結過程中出現倒塌或變形。此外，根據 MakerBot 的說法，盡可能平整地打印零件并添加盡可能多的支撐，以提高零件在脫脂和燒結過程中的生存能力。通過在打印和后處理階段戰略性地使用部件定位和支撐結構，可以顯著減少部件塌陷和變形。
△Markforged Sinter-2 是一款專為中等批量生產和大型打印部件設計的熔爐
需要后處理
3D 打印金屬絲不能立即從打印床上生產出堅固或可用的金屬部件。事實上，最初的打印品被稱為素坯，這時的零件非常脆并且沒有金屬特征，所以后處理是必要的。打印后，素坯經過脫脂，這是一個使用熱量或溶劑溶解塑料或粘合劑成分的過程。此步驟會在整個零件中創建開孔通道。（也有例外，Filamet 品牌的金屬絲不需要化學脫脂，而是使用熔爐的熱量來去除塑料粘合劑。3D 打印機制造商 Desktop Metal 和 Rapidia（使用金屬膏而非燈絲）也有一個跳過脫脂步驟的打印機到燒結兩步工藝。）
然后將脫脂部件在熔爐中燒結，熔爐將部件均勻加熱至剛好低于其熔點，去除任何殘留的粘合劑并將金屬顆粒熔化以形成致密部件。大多數金屬絲材料都可以在普通窯爐硬件中燒結，只要它能保持幾個小時的燒結溫度。
△按需 3D 打印公司 Fastparts 還將對您的金屬零件進行脫脂和燒結，然后將產品郵寄給客戶
外包脫脂和燒結
市場上已經有幾家制造商提供了一套機器，包括打印機、清洗機或脫脂機以及燒結爐，能夠在內部完成整個流程，并使用一個軟件協調或自動化流程。不必擁有脫脂機或燒結爐即可制造3D打印金屬部件。用戶可以將零件寄出進行專業的后處理。Metal Ultrafuse 和 The Virtual Foundry 這兩個品牌提供推薦的第三方服務，這些服務將完成您的金屬零件并將它們寄回。更多按需 3D 打印供應商也在提供這項服務。在歐洲，只要使用 Ultrafuse 品牌的不銹鋼絲，您就可以將零件連同 STL 文件發送到Fastparts進行脫脂和燒結。在美國，您可以求助于Matterhackers來處理您的 Ultrafuse 零件。
金屬絲制成的金屬零件的機械性能
△素坯不銹鋼 3D 打印部件（左側），然后經過燒結、中間和最后拋光
金屬長絲比標準的桌面FDM 3D打印中使用的幾乎所有塑料都要堅固，最終部件具有金屬特性。典型應用包括金屬噴嘴、齒輪、醫療工具原型和閥門。要注意用金屬絲制成的零件通常不用于承受非常高應力。盡管使用金屬絲的3D打印可能不適合具有嚴格要求的應用場景，但在FDM 機器上生產致密金屬非關鍵部件是極其具有經濟性的。
金屬絲 3D 打印部件的特性
Forward AM 的研究顯示，在正確 3D 打印時，使用 Ultrafuse 316l 不銹鋼絲生產的金屬部件在 XY（平面）方向的抗拉強度為 561 MPa，在 ZX（直立）方向的抗拉強度為 521 MPa，而使用金屬注射成型制造的相同部件在兩個方向上的抗拉強度均為 540 MPa。3D 打印部件的屈服強度或對應于材料開始變形點的應力（XY 為 251 MPa，ZX 為 234 MPa）明顯高于模制部件（180 MPa）。
最近的一項研究發現，當層方向平行于拉伸方向時，部件的強度遠低于層方向垂直于拉伸方向時的強度。該研究不是使用 Ultrafuse 或 Filamet 進行的，而是使用為實驗創建的 60% 金屬和 40% 塑料粘合劑材料。Ultrafuse 的技術數據顯示 XY 和 YZ 強度值相似。
3D 打印組件設計和打印方向起著至關重要的作用。為了降低機械不穩定的風險，Forward AM 建議在印刷前按照他們的在線指南執行“脫脂穩定性模擬” 。這提供了對內部應力的估計，以評估脫脂過程中零件的結構完整性，并且還提供了哪些結構特征存在風險的可視化指導。這種燒結模擬通過 Forward AM 的虛擬工程服務作為一項服務提供。使用此類工具，用戶可以確定金屬絲打印是否最適合您的零件。
頂級金屬絲
△Ultrafuse 316L 燈絲需要像鋼或紅寶石一樣耐磨的噴嘴
Forward AM 的 Ultrafuse
●巴斯夫 Ultrafuse 316L 不銹鋼：每 3 公斤線軸 500 美元
●巴斯夫 Ultrafuse 17-4 PH 不銹鋼：每 3 公斤線軸 350 美元
Forward AM 的母公司巴斯夫是全球最大的化工公司之一。他們的注入金屬的長絲稱為 Ultrafuse，采用 316L 不銹鋼和 17-4 PH 不銹鋼制成。兩種長絲都含有 80% 的金屬粉末和專有的聚合物基粘合劑。Ultrafuse 17-4 PH，也稱為 630 型，是一種鉻銅硬化不銹鋼，具有磁性并在高達 315 °C 的溫度下保持良好的機械和耐腐蝕性。Ultrafuse 316L 支持廣泛的應用，包括工具、夾具和夾具、小批量生產、功能部件和原型。這種金屬絲并不便宜，每公斤成本約為 129 美元，3 公斤線軸的 Ultrafuse 316L 成本約為 465 美元，Ultrafuse 17-4 PH 為 349 美元，也有 1 公斤線軸。
盡管這種長絲比標準聚合物 3D 打印長絲貴得多，但它的價格低于許多碳纖維增強 PA 長絲，并且大大降低了生產中小型金屬部件的成本。根據零件的設計和尺寸，它可能比任何其他金屬 AM 技術都便宜。使用 Ultrafuse 316L 打印比在工業金屬打印機上使用大多數金屬粉末打印便宜 1.4 到 2 倍。
●直徑：1.75 毫米、2.85 毫米
●閥芯尺寸：1 kg、3 kg
●材質成分：80% 316L不銹鋼；17-4 PH 不銹鋼，含 20% 熱塑性粘合劑
●噴嘴溫度：220-245°C
●床溫：90-100℃
●冷卻：不需要
●打印速度：30-40毫米/秒
●底板：帶膠棒的玻璃床
●噴嘴：任何耐磨噴嘴（鋼、紅寶石等）
●燒結件密度：7.85 kg/m 3 (Ultrafuse 316L)；7.6 千克/米3 (Ultrafuse 17-4 PH)
●平均收縮率：X & Y 16%，Z 20%
●推薦的初始比例因子：X & Y 120%，Z 125%
●技術數據表：Ultrafuse 316L、Ultrafuse 17-4 PH
△來自 The Virtual Foundry 的用于 FDM 打印的金屬絲
The Virtual Foundry的 Filamet
●The Virtual Foundry 316L 不銹鋼：每 3 公斤 700 美元
●The Virtual Foundry 17-4 PH 不銹鋼：每 3 公斤 900 美元
總部位于美國的材料制造商 The Virtual Foundry 專注于金屬絲，并提供九Filamet，包括 316L 不銹鋼、Inconel 718-34 F 鋼、鈦、銅、鋁和 2023 年新推出的 H13 工具鋼。該公司的 316L 不銹鋼絲含有約 85% 的金屬，可用于任何 FDM 打印機，但需要一些附加設備。例如，要使用該公司的 316L 進行打印，您需要一個 FilaWarmer 來預熱燈絲。
Filamet 可以使用稍低的噴嘴溫度 (205-235 °C) 和低得多的床層溫度 (40-50 °C) 進行打印。另一件需要考慮的事情是，TVF 的燈絲需要一個 0.6 毫米的不銹鋼噴嘴，而您可以為 Ultrafuse 使用更標準的 0.4 毫米直徑的噴嘴。由于 Filamet 的金屬含量高，它比標準 PLA 更容易斷裂。TVF 建議將線軸懸掛在打印機的正上方，用于直接驅動擠出設置的打印機，或靠近或下方用于 Bowden 設置的打印機。
每公斤，319L 不銹鋼的價格為 273 美元，銅為 121 美元，鈦為 832 美元。TVF 提供打印機配置文件，您可以將其上傳到切片機軟件，作為試驗材料的起點。對于后處理，TVF 材料只需要一個步驟，即在窯爐中加熱。對于沒有燒結設備的客戶，TVF 與芝加哥以外的金屬 3D 打印服務 Sapphire 3D 合作，以每個小零件約 50 美元的價格處理打印件。
●直徑：1.75 毫米、2.85 毫米、顆粒
●線軸尺寸：500 克，1 千克
●材料成分：80% 316L 不銹鋼或 17-4 PH 不銹鋼加 20% 塑料聚合物
●噴嘴溫度：205-235°C
●床溫：40-50℃
●冷卻：不需要
●打印速度：30 mm/s 開始
●構建板：任何材料，但在印刷品和床之間有一層（例如藍色油漆膠帶或膠棒）
●噴嘴：0.6 毫米或更大，標準不銹鋼
△使用 Nanoe 重新配制的 316L 不銹鋼絲制成的零件
Nanoe 的 Zetamix
●Nanoe 316L 不銹鋼的 Zetamix：每 3 公斤 1,500 美元
●Nanoe H13 Steel 的 Zetamix：每 3 公斤 1,500 美元
法國材料制造商Nanoe提供 316L 不銹鋼絲和 H13 工具鋼絲，兩種燈絲的粘合劑中約有52% 至 55% 的金屬，因此它們可以在比其他品牌低得多的噴嘴溫度下打印，可以獲得密度為90%至91%的最終零件，預計收縮率為16%至21.3%。全球分銷商提供的 500 克 319L 不銹鋼和 H13 工具鋼絲每公斤的價格略低于 300 美元。
●直徑：1.75 毫米、2.85 毫米
●線軸尺寸：500 克，1 千克
●材質成分：55% 316L不銹鋼或52% H13鋼
●噴嘴溫度：180 °C
●床溫：30 °C
●冷卻：不需要
●打印速度：15 至 50 毫米/秒，具體取決于零件的形狀
●噴嘴：0.6 毫米或更大，標準不銹鋼
●推薦的初始比例因子：X & Y 120%，Z 125%
●技術數據表：316L，H13
△來自 Nanovia 的不銹鋼絲
Nanovia 的 Mt 316L
●Mt 316L 不銹鋼：每 3 公斤 900 美元
法國材料制造商 Nanovia 提供低碳含量的 316L 不銹鋼絲，打印部件可以直接燒結，無需事先進行任何化學脫脂步驟。每 500 克的價格約為 150 美元。Mt 316L 燈絲允許使用標準 3D 打印機打印致密的不銹鋼部件，然后無需化學脫脂即可進行燒結。Nanovia 聲稱燒結后的結果是 100% 不銹鋼部件。
●直徑：1.75 毫米、2.85 毫米
●線軸尺寸：500 克
●噴嘴溫度：170 °C – 100 °C
●床溫：40 °C – 60 °C
●打印速度：從 20 到 40 毫米/秒，具體取決于零件的形狀
●噴嘴：0.6 毫米或更大，標準不銹鋼
●收縮率：10% – 15%
●技術數據表：316L
金屬絲3D打印機
Markforged Metal X Gen2
△Markforged Metal X 系統包括一個 3D 打印機、一個脫脂單元和一個燒結爐
Markforged 于 2017 年推出了 Metal X，如今仍然是全球成千上萬客戶的首選金屬 3D 打印機解決方案之一。Metal X 是一款帶加熱室的雙擠出機 3D 打印機，可實現 50 微米的層高。與其他打印機制造商不同，Markforged 在其專有系列中提供六種金屬，包括銅和 Iconel。對于銅，您可以獲得 98% 致密的金屬部件，斷裂伸長率為 45%，極限抗拉強度為 193 MPa。
去除支撐是金屬 3D 打印中的一個主要問題，Markforged提供了一個相對獨特的解決方案，在打印件和支撐件之間，均采用金屬打印，是一層薄的陶瓷釋放層，無需工具即可快速輕松地彈出支撐件。
Markforged 提供脫脂裝置 Wash 1 和燒結爐 Sinter 2，可以在內部完成整個金屬零件生產。Wash-1 將生坯部件浸入一種特殊的液體中，去除主要的粘合材料，使部件保持半多孔狀態，這樣剩余的粘合劑可以在燒結過程中燃燒掉。Sinter 2 爐的溫度可達 1300° C，可將各種商業級金屬從脫脂狀態燒結成完全致密的金屬部件。
全金屬3D打印系統由該公司基于云的Eiger工作流軟件驅動，使用戶能夠存儲“數字零件”，可以在任何地點的任何 Metal X 打印機上打印出來。Eiger 還具有零件模擬功能，可以在打印前驗證零件性能和打印設置。Metal X 的零售價約為 99,000 美元，上述三個單元的價格在 200,000 美元左右。每 200cc 線軸的材料價格從 150 美元到 300 美元不等。
Markforged 金屬 X：
●構建體積：250 x 220 x 200 毫米
●打印室：加熱
●打印床：加熱、真空密封打印板、自動床調平
●最小層高：50 微米
Desktop Metal Studio System
△Desktop Metal Studio System 金屬 3D 打印機和配套的燒結爐
Desktop Metal 是金屬沉積3D打印的開拓者之一，降低了價格并提高了金屬3D打印機的易用性。其 Studio System 于 2016 年首次亮相，可生產密度高達 98% 的部件，類似于鑄件。Studio Systems 的所有材料都附帶數據表，其中詳細介紹了預期的機械特性。Desktop Metal 的銅部件擁有 37% 的斷裂伸長率和 193 MPa 的極限抗拉強度。
Studio System 發布后，Desktop Metal 推出了新技術，創建了一個兩步“打印機到燒結”過程，省去了脫脂步驟。使用專有材料配方可以將打印部件直接放入爐中，無需溶劑脫脂階段，從而節省時間、溶劑材料。作為這項技術的先驅之一，Desktop Metal 奠定了其他打印機制造商效仿的一些基礎。它的解決方案包括打印機、專有材料、專有軟件、自己的燒結爐和可分離支架，在支撐結構和零件之間采用陶瓷界面材料，可以輕松地用手拆卸零件。
△Desktop Metal 的 Studio System 和熔爐可實現生產級金屬零件
Studio System 3D 打印機和熔爐加起來大約 275,000 美元：
●構建體積：300 x 200 x 200 毫米
●層高（綠色狀態）：50 微米
●加熱床：70 °C
●最大構建重量（綠色狀態）：6.5 kg
Raise3D Forge1
△MetalFuse是由Forge1金屬3D打印機、D200-E脫脂機、S200-C燒結爐組成的系列產品
Raise3D 的 Forge1 是一款專業的大幅面金屬 3D 打印機，是該公司 MetalFuse 解決方案的一部分，該解決方案包括打印機、D200-E 脫脂設備和可達到 1500 ℃ 的 S200-C 真空燒結爐。有了這三臺機器，Raise3D 可以使用自動計算打印收縮的軟件為內部金屬零件生產提供簡化的工作流程，從而使脫脂和燒結后的最終尺寸準確且適合使用。Forge1 打印機擁有雙擠出機、自動調平床、耗盡傳感器和帶活性炭的 HEPA 過濾器。MetalFuse 系統使用 BASF Forward AM Ultrafuse 不銹鋼打印。雙擠出機使用巴斯夫 Ultrafuse 支撐層進行打印，目前僅在歐洲有售，這是一種用于“層隔離”的氧化鋁材料。換句話說，它使分離支撐成為燒結后支撐和印刷品之間的分離層。
●構建體積：300 × 300 × 300 mm
●燈絲直徑：1.75 毫米
●層高：100微米
●床溫：120 oC
BCN3D Epsilon W50
△BCN3D Epsilon W50 Gen 2 3D 打印機
打印機制造商 BCN3D 于 2021 年 11 月推出了 Metal Pack，其中包括 Ultrafuse 不銹鋼絲（316L 和 17-4 PH）、Magigoo 粘合劑、軟件和兩個熱端，價格約為 1,200 美元。BCN3D 還為金屬零件提供特定的設計指南和工藝要求。Metal Pack 不僅適用于 W50，還適用于整個 Epsilon 系列 3D 打印機（W50SC、Epsilon W27 和 W27SC），為金屬零件生產入門提供多種尺寸和價位。
Metal Pack 專為生產備件、功能原型和工具而設計，主要針對制藥、食品、汽車、航空航天和制造行業。通過這種工藝生產的零件與通過金屬注射成型或 CNC 生產的零件具有幾乎相同的行為，并提供了一種設計自由度更高的辦公室友好型解決方案。
△在 BCN3D Epsilon 3D 打印機上使用 Ultrafuse 不銹鋼絲制成的金屬部件可以拋光以提高表面光潔度
BCN3D 打印金屬輪廓在其 Stratos 切片機中避免了打印過程中打印部件的內部張力。打印后，脫脂和燒結過程通過當前的 Forward AM 授權服務供應商網絡在外部進行。外包的脫脂和燒結成本約為每公斤 50 至 80 美元。僅 Epsilon W50 打印機的價格為 8,500 美元，而 Epsilon W27 為 7,000 美元。
Epsilon W50
●架構：IDEX（獨立雙擠出機系統）
●構建體積：420 x 300 x 400 毫米
●加熱床：120 oC
帶金屬擴展套件的 UltiMaker S5
△帶有金屬擴展套件的 UltiMaker S5
自 2021 年發布 Ultrafuse 17-4PH 的打印機配置文件以來，UltiMaker使用戶能夠在其 S5 機器上打印完整的金屬部件。2022年，Ultimaker 推出了全新的金屬 3D 打印套件：Metal Expansion Kit。Ultimaker 產品經理 Andrea Gasperini 表示：“Ultimaker Metal Expansion Kit 特別適用于打印非現成部件，例如工具、夾具和固定裝置、更換部件、功能原型和輔助組件。該套件提供了對完整且經過驗證的 3D 打印工作流程的訪問。
●架構：雙擠出機
●打印體積：330 x 240 x 300 毫米
●噴嘴溫度：180-280℃
● 層分辨率：使用 0.25 毫米噴嘴時為 20 微米
●價格：8,000 美元
Zortrax M300 Dual
△Zortrax M300 Dual 全金屬打印套件
Zortrax 是最新的 FDM 3D 打印機制造商之一，與 BASF Forward AM 合作創建打印周邊和附件套件，使 M300 公司或其 Edural 3D 打印機能夠打印完整的金屬部件。Zortrax 全金屬套件支持使用兩種最常用的鋼材制作3D打印模型：316L 手術級不銹鋼和 17-4 PH 硬化鋼。要使用金屬絲進行打印，您可以將打印機的標準熱端模塊替換為包裝中包含的模塊，加載隨附的打印和支撐絲，使用隨附的 Magigoo Pro 金屬膠覆蓋構建平臺，使用 Z 中的默認設置打印您的部件-Suite。
●構建體積：265 x 265 x 300
●層分辨率：90-290微米
●擠出機：雙投
●最大擠出機溫度：290°C
●最高床溫：105°C
金屬絲的特點
△The Virtual Foundry 的燈絲制成的固體金屬零件
金屬絲3D打印成本較低，與傳統方法的單獨生產相比，可將小批量金屬零件的成本降低 90%。使用普通金屬原料（例如線材）和金屬注射成型中使用的相同顆粒的新興技術有可能消除金屬絲 3D 打印中的脫脂和燒結步驟，并大大降低原材料的價格。金屬絲比金屬粉末危險性小，但它仍然由金屬粉末制成，這是一種昂貴且耗能的產品。脫脂劑需要溶劑，熔爐需要大量的能源和氣體，例如氬氣，這也會增加環境影響和成本。
在下文將介紹金屬絲打印的獨特特性和功能，介紹了如何使用金屬絲進行打印以及可以獲得的機械性能。此外，本文的最后還介紹了一些金屬絲3D打印機可供選擇。
△來自 Forward AM 的 Ultrafuse 金屬絲和在 BCN3D 機器上打印的金屬零件
什么是金屬絲？
要注意，這里談到的金屬絲不僅僅是具有金屬顏色或裝飾性金屬的絲材。不要將這些金屬絲與用于裝飾目的的金屬絲混淆。金屬絲根據其顏色簡稱為“鋁”或“銅”，有些以 PLA+金屬的形式出售，僅包含 5% 至 40% 的金屬粉末。一些裝飾性金屬絲，如 Formfutura 的 MetalFil Classic Copper 和 ProtoPasta 的鐵填充 PLA，含有高百分比的金屬粉末（高達 80%），但僅用于模擬金屬外觀。這些不需要任何類型的后處理來去除塑料，但可以通過拉絲、打磨或拋光使其看起來和感覺像金屬。
△金屬絲 3D 打印的步驟，
金屬零件收縮請注意，零件在后處理時會收縮（從其原始體積的 18% 到 25%，具體取決于長絲的設計和品牌），因為其中的塑料材料被去除，剩余的金屬被壓縮.。在打印尺寸精度優先的功能部件時，這會帶來不小的挑戰。但是，同一種絲材的收縮系數是一致的，因此可以根據收縮率適當縮放初始CAD模型，切片軟件可以自動為您計算。
Forward AM 的 Ultrafuse 在 XY 軸上具有 16-17% 的收縮率，在 Z 軸上具有 19-20% 的收縮率。使用來自 The Virtual Foundry 的 Filamet 品牌金屬絲，您可以計劃使用公司公布的脫脂/燒結工藝將銅和青銅的打印品縮小約 5%，將鋼縮小 10%。該公司表示，總體而言，正常收縮率為 7-10%。最終部件的致密度為 80-85%，但部件可以燒結更長時間，這意味著收縮更多，密度更高。
下面的打印機制造商將脫脂裝置和燒結裝置作為一個包提供，它們提供工作流軟件，有助于確保您的零件符合設計指南，并優化所有打印和燒結設置。對于跳過脫脂階段的燈絲，例如 Virtual Foundry 和 Nanovia，生坯必須在熱脫脂階段埋入氧化鋁粉末中，這是另一種需要購買的材料，但比脫脂裝置便宜。
△使用 Ultrafuse 金屬絲套件在 UltiMaker S5 上打印的不銹鋼部件
金屬絲設計
首先，根據MakerBot（現為 UltiMaker 的一部分）開發的金屬絲打印指南，模型高寬比應保持在 3:1 以下，壁高寬比應保持在 6:1 以下，以防止在脫脂和燒結過程中出現倒塌或變形。此外，根據 MakerBot 的說法，盡可能平整地打印零件并添加盡可能多的支撐，以提高零件在脫脂和燒結過程中的生存能力。通過在打印和后處理階段戰略性地使用部件定位和支撐結構，可以顯著減少部件塌陷和變形。
△Markforged Sinter-2 是一款專為中等批量生產和大型打印部件設計的熔爐
需要后處理
3D 打印金屬絲不能立即從打印床上生產出堅固或可用的金屬部件。事實上，最初的打印品被稱為素坯，這時的零件非常脆并且沒有金屬特征，所以后處理是必要的。打印后，素坯經過脫脂，這是一個使用熱量或溶劑溶解塑料或粘合劑成分的過程。此步驟會在整個零件中創建開孔通道。（也有例外，Filamet 品牌的金屬絲不需要化學脫脂，而是使用熔爐的熱量來去除塑料粘合劑。3D 打印機制造商 Desktop Metal 和 Rapidia（使用金屬膏而非燈絲）也有一個跳過脫脂步驟的打印機到燒結兩步工藝。）
然后將脫脂部件在熔爐中燒結，熔爐將部件均勻加熱至剛好低于其熔點，去除任何殘留的粘合劑并將金屬顆粒熔化以形成致密部件。大多數金屬絲材料都可以在普通窯爐硬件中燒結，只要它能保持幾個小時的燒結溫度。
△按需 3D 打印公司 Fastparts 還將對您的金屬零件進行脫脂和燒結，然后將產品郵寄給客戶
外包脫脂和燒結
市場上已經有幾家制造商提供了一套機器，包括打印機、清洗機或脫脂機以及燒結爐，能夠在內部完成整個流程，并使用一個軟件協調或自動化流程。不必擁有脫脂機或燒結爐即可制造3D打印金屬部件。用戶可以將零件寄出進行專業的后處理。Metal Ultrafuse 和 The Virtual Foundry 這兩個品牌提供推薦的第三方服務，這些服務將完成您的金屬零件并將它們寄回。更多按需 3D 打印供應商也在提供這項服務。在歐洲，只要使用 Ultrafuse 品牌的不銹鋼絲，您就可以將零件連同 STL 文件發送到Fastparts進行脫脂和燒結。在美國，您可以求助于Matterhackers來處理您的 Ultrafuse 零件。
金屬絲制成的金屬零件的機械性能
△素坯不銹鋼 3D 打印部件（左側），然后經過燒結、中間和最后拋光
金屬長絲比標準的桌面FDM 3D打印中使用的幾乎所有塑料都要堅固，最終部件具有金屬特性。典型應用包括金屬噴嘴、齒輪、醫療工具原型和閥門。要注意用金屬絲制成的零件通常不用于承受非常高應力。盡管使用金屬絲的3D打印可能不適合具有嚴格要求的應用場景，但在FDM 機器上生產致密金屬非關鍵部件是極其具有經濟性的。
金屬絲 3D 打印部件的特性
Forward AM 的研究顯示，在正確 3D 打印時，使用 Ultrafuse 316l 不銹鋼絲生產的金屬部件在 XY（平面）方向的抗拉強度為 561 MPa，在 ZX（直立）方向的抗拉強度為 521 MPa，而使用金屬注射成型制造的相同部件在兩個方向上的抗拉強度均為 540 MPa。3D 打印部件的屈服強度或對應于材料開始變形點的應力（XY 為 251 MPa，ZX 為 234 MPa）明顯高于模制部件（180 MPa）。
最近的一項研究發現，當層方向平行于拉伸方向時，部件的強度遠低于層方向垂直于拉伸方向時的強度。該研究不是使用 Ultrafuse 或 Filamet 進行的，而是使用為實驗創建的 60% 金屬和 40% 塑料粘合劑材料。Ultrafuse 的技術數據顯示 XY 和 YZ 強度值相似。
3D 打印組件設計和打印方向起著至關重要的作用。為了降低機械不穩定的風險，Forward AM 建議在印刷前按照他們的在線指南執行“脫脂穩定性模擬” 。這提供了對內部應力的估計，以評估脫脂過程中零件的結構完整性，并且還提供了哪些結構特征存在風險的可視化指導。這種燒結模擬通過 Forward AM 的虛擬工程服務作為一項服務提供。使用此類工具，用戶可以確定金屬絲打印是否最適合您的零件。
頂級金屬絲
△Ultrafuse 316L 燈絲需要像鋼或紅寶石一樣耐磨的噴嘴
Forward AM 的 Ultrafuse
●巴斯夫 Ultrafuse 316L 不銹鋼：每 3 公斤線軸 500 美元
●巴斯夫 Ultrafuse 17-4 PH 不銹鋼：每 3 公斤線軸 350 美元
Forward AM 的母公司巴斯夫是全球最大的化工公司之一。他們的注入金屬的長絲稱為 Ultrafuse，采用 316L 不銹鋼和 17-4 PH 不銹鋼制成。兩種長絲都含有 80% 的金屬粉末和專有的聚合物基粘合劑。Ultrafuse 17-4 PH，也稱為 630 型，是一種鉻銅硬化不銹鋼，具有磁性并在高達 315 °C 的溫度下保持良好的機械和耐腐蝕性。Ultrafuse 316L 支持廣泛的應用，包括工具、夾具和夾具、小批量生產、功能部件和原型。這種金屬絲并不便宜，每公斤成本約為 129 美元，3 公斤線軸的 Ultrafuse 316L 成本約為 465 美元，Ultrafuse 17-4 PH 為 349 美元，也有 1 公斤線軸。
盡管這種長絲比標準聚合物 3D 打印長絲貴得多，但它的價格低于許多碳纖維增強 PA 長絲，并且大大降低了生產中小型金屬部件的成本。根據零件的設計和尺寸，它可能比任何其他金屬 AM 技術都便宜。使用 Ultrafuse 316L 打印比在工業金屬打印機上使用大多數金屬粉末打印便宜 1.4 到 2 倍。
●直徑：1.75 毫米、2.85 毫米
●閥芯尺寸：1 kg、3 kg
●材質成分：80% 316L不銹鋼；17-4 PH 不銹鋼，含 20% 熱塑性粘合劑
●噴嘴溫度：220-245°C
●床溫：90-100℃
●冷卻：不需要
●打印速度：30-40毫米/秒
●底板：帶膠棒的玻璃床
●噴嘴：任何耐磨噴嘴（鋼、紅寶石等）
●燒結件密度：7.85 kg/m 3 (Ultrafuse 316L)；7.6 千克/米3 (Ultrafuse 17-4 PH)
●平均收縮率：X & Y 16%，Z 20%
●推薦的初始比例因子：X & Y 120%，Z 125%
●技術數據表：Ultrafuse 316L、Ultrafuse 17-4 PH
△來自 The Virtual Foundry 的用于 FDM 打印的金屬絲
The Virtual Foundry的 Filamet
●The Virtual Foundry 316L 不銹鋼：每 3 公斤 700 美元
●The Virtual Foundry 17-4 PH 不銹鋼：每 3 公斤 900 美元
總部位于美國的材料制造商 The Virtual Foundry 專注于金屬絲，并提供九Filamet，包括 316L 不銹鋼、Inconel 718-34 F 鋼、鈦、銅、鋁和 2023 年新推出的 H13 工具鋼。該公司的 316L 不銹鋼絲含有約 85% 的金屬，可用于任何 FDM 打印機，但需要一些附加設備。例如，要使用該公司的 316L 進行打印，您需要一個 FilaWarmer 來預熱燈絲。
Filamet 可以使用稍低的噴嘴溫度 (205-235 °C) 和低得多的床層溫度 (40-50 °C) 進行打印。另一件需要考慮的事情是，TVF 的燈絲需要一個 0.6 毫米的不銹鋼噴嘴，而您可以為 Ultrafuse 使用更標準的 0.4 毫米直徑的噴嘴。由于 Filamet 的金屬含量高，它比標準 PLA 更容易斷裂。TVF 建議將線軸懸掛在打印機的正上方，用于直接驅動擠出設置的打印機，或靠近或下方用于 Bowden 設置的打印機。
每公斤，319L 不銹鋼的價格為 273 美元，銅為 121 美元，鈦為 832 美元。TVF 提供打印機配置文件，您可以將其上傳到切片機軟件，作為試驗材料的起點。對于后處理，TVF 材料只需要一個步驟，即在窯爐中加熱。對于沒有燒結設備的客戶，TVF 與芝加哥以外的金屬 3D 打印服務 Sapphire 3D 合作，以每個小零件約 50 美元的價格處理打印件。
●直徑：1.75 毫米、2.85 毫米、顆粒
●線軸尺寸：500 克，1 千克
●材料成分：80% 316L 不銹鋼或 17-4 PH 不銹鋼加 20% 塑料聚合物
●噴嘴溫度：205-235°C
●床溫：40-50℃
●冷卻：不需要
●打印速度：30 mm/s 開始
●構建板：任何材料，但在印刷品和床之間有一層（例如藍色油漆膠帶或膠棒）
●噴嘴：0.6 毫米或更大，標準不銹鋼
△使用 Nanoe 重新配制的 316L 不銹鋼絲制成的零件
Nanoe 的 Zetamix
●Nanoe 316L 不銹鋼的 Zetamix：每 3 公斤 1,500 美元
●Nanoe H13 Steel 的 Zetamix：每 3 公斤 1,500 美元
法國材料制造商Nanoe提供 316L 不銹鋼絲和 H13 工具鋼絲，兩種燈絲的粘合劑中約有52% 至 55% 的金屬，因此它們可以在比其他品牌低得多的噴嘴溫度下打印，可以獲得密度為90%至91%的最終零件，預計收縮率為16%至21.3%。全球分銷商提供的 500 克 319L 不銹鋼和 H13 工具鋼絲每公斤的價格略低于 300 美元。
●直徑：1.75 毫米、2.85 毫米
●線軸尺寸：500 克，1 千克
●材質成分：55% 316L不銹鋼或52% H13鋼
●噴嘴溫度：180 °C
●床溫：30 °C
●冷卻：不需要
●打印速度：15 至 50 毫米/秒，具體取決于零件的形狀
●噴嘴：0.6 毫米或更大，標準不銹鋼
●推薦的初始比例因子：X & Y 120%，Z 125%
●技術數據表：316L，H13
△來自 Nanovia 的不銹鋼絲
Nanovia 的 Mt 316L
●Mt 316L 不銹鋼：每 3 公斤 900 美元
法國材料制造商 Nanovia 提供低碳含量的 316L 不銹鋼絲，打印部件可以直接燒結，無需事先進行任何化學脫脂步驟。每 500 克的價格約為 150 美元。Mt 316L 燈絲允許使用標準 3D 打印機打印致密的不銹鋼部件，然后無需化學脫脂即可進行燒結。Nanovia 聲稱燒結后的結果是 100% 不銹鋼部件。
●直徑：1.75 毫米、2.85 毫米
●線軸尺寸：500 克
●噴嘴溫度：170 °C – 100 °C
●床溫：40 °C – 60 °C
●打印速度：從 20 到 40 毫米/秒，具體取決于零件的形狀
●噴嘴：0.6 毫米或更大，標準不銹鋼
●收縮率：10% – 15%
●技術數據表：316L
金屬絲3D打印機
Markforged Metal X Gen2
△Markforged Metal X 系統包括一個 3D 打印機、一個脫脂單元和一個燒結爐
Markforged 于 2017 年推出了 Metal X，如今仍然是全球成千上萬客戶的首選金屬 3D 打印機解決方案之一。Metal X 是一款帶加熱室的雙擠出機 3D 打印機，可實現 50 微米的層高。與其他打印機制造商不同，Markforged 在其專有系列中提供六種金屬，包括銅和 Iconel。對于銅，您可以獲得 98% 致密的金屬部件，斷裂伸長率為 45%，極限抗拉強度為 193 MPa。
去除支撐是金屬 3D 打印中的一個主要問題，Markforged提供了一個相對獨特的解決方案，在打印件和支撐件之間，均采用金屬打印，是一層薄的陶瓷釋放層，無需工具即可快速輕松地彈出支撐件。
Markforged 提供脫脂裝置 Wash 1 和燒結爐 Sinter 2，可以在內部完成整個金屬零件生產。Wash-1 將生坯部件浸入一種特殊的液體中，去除主要的粘合材料，使部件保持半多孔狀態，這樣剩余的粘合劑可以在燒結過程中燃燒掉。Sinter 2 爐的溫度可達 1300° C，可將各種商業級金屬從脫脂狀態燒結成完全致密的金屬部件。
全金屬3D打印系統由該公司基于云的Eiger工作流軟件驅動，使用戶能夠存儲“數字零件”，可以在任何地點的任何 Metal X 打印機上打印出來。Eiger 還具有零件模擬功能，可以在打印前驗證零件性能和打印設置。Metal X 的零售價約為 99,000 美元，上述三個單元的價格在 200,000 美元左右。每 200cc 線軸的材料價格從 150 美元到 300 美元不等。
Markforged 金屬 X：
●構建體積：250 x 220 x 200 毫米
●打印室：加熱
●打印床：加熱、真空密封打印板、自動床調平
●最小層高：50 微米
Desktop Metal Studio System
△Desktop Metal Studio System 金屬 3D 打印機和配套的燒結爐
Desktop Metal 是金屬沉積3D打印的開拓者之一，降低了價格并提高了金屬3D打印機的易用性。其 Studio System 于 2016 年首次亮相，可生產密度高達 98% 的部件，類似于鑄件。Studio Systems 的所有材料都附帶數據表，其中詳細介紹了預期的機械特性。Desktop Metal 的銅部件擁有 37% 的斷裂伸長率和 193 MPa 的極限抗拉強度。
Studio System 發布后，Desktop Metal 推出了新技術，創建了一個兩步“打印機到燒結”過程，省去了脫脂步驟。使用專有材料配方可以將打印部件直接放入爐中，無需溶劑脫脂階段，從而節省時間、溶劑材料。作為這項技術的先驅之一，Desktop Metal 奠定了其他打印機制造商效仿的一些基礎。它的解決方案包括打印機、專有材料、專有軟件、自己的燒結爐和可分離支架，在支撐結構和零件之間采用陶瓷界面材料，可以輕松地用手拆卸零件。
△Desktop Metal 的 Studio System 和熔爐可實現生產級金屬零件
Studio System 3D 打印機和熔爐加起來大約 275,000 美元：
●構建體積：300 x 200 x 200 毫米
●層高（綠色狀態）：50 微米
●加熱床：70 °C
●最大構建重量（綠色狀態）：6.5 kg
Raise3D Forge1
△MetalFuse是由Forge1金屬3D打印機、D200-E脫脂機、S200-C燒結爐組成的系列產品
Raise3D 的 Forge1 是一款專業的大幅面金屬 3D 打印機，是該公司 MetalFuse 解決方案的一部分，該解決方案包括打印機、D200-E 脫脂設備和可達到 1500 ℃ 的 S200-C 真空燒結爐。有了這三臺機器，Raise3D 可以使用自動計算打印收縮的軟件為內部金屬零件生產提供簡化的工作流程，從而使脫脂和燒結后的最終尺寸準確且適合使用。Forge1 打印機擁有雙擠出機、自動調平床、耗盡傳感器和帶活性炭的 HEPA 過濾器。MetalFuse 系統使用 BASF Forward AM Ultrafuse 不銹鋼打印。雙擠出機使用巴斯夫 Ultrafuse 支撐層進行打印，目前僅在歐洲有售，這是一種用于“層隔離”的氧化鋁材料。換句話說，它使分離支撐成為燒結后支撐和印刷品之間的分離層。
●構建體積：300 × 300 × 300 mm
●燈絲直徑：1.75 毫米
●層高：100微米
●床溫：120 oC
BCN3D Epsilon W50
△BCN3D Epsilon W50 Gen 2 3D 打印機
打印機制造商 BCN3D 于 2021 年 11 月推出了 Metal Pack，其中包括 Ultrafuse 不銹鋼絲（316L 和 17-4 PH）、Magigoo 粘合劑、軟件和兩個熱端，價格約為 1,200 美元。BCN3D 還為金屬零件提供特定的設計指南和工藝要求。Metal Pack 不僅適用于 W50，還適用于整個 Epsilon 系列 3D 打印機（W50SC、Epsilon W27 和 W27SC），為金屬零件生產入門提供多種尺寸和價位。
Metal Pack 專為生產備件、功能原型和工具而設計，主要針對制藥、食品、汽車、航空航天和制造行業。通過這種工藝生產的零件與通過金屬注射成型或 CNC 生產的零件具有幾乎相同的行為，并提供了一種設計自由度更高的辦公室友好型解決方案。
△在 BCN3D Epsilon 3D 打印機上使用 Ultrafuse 不銹鋼絲制成的金屬部件可以拋光以提高表面光潔度
BCN3D 打印金屬輪廓在其 Stratos 切片機中避免了打印過程中打印部件的內部張力。打印后，脫脂和燒結過程通過當前的 Forward AM 授權服務供應商網絡在外部進行。外包的脫脂和燒結成本約為每公斤 50 至 80 美元。僅 Epsilon W50 打印機的價格為 8,500 美元，而 Epsilon W27 為 7,000 美元。
Epsilon W50
●架構：IDEX（獨立雙擠出機系統）
●構建體積：420 x 300 x 400 毫米
●加熱床：120 oC
帶金屬擴展套件的 UltiMaker S5
△帶有金屬擴展套件的 UltiMaker S5
自 2021 年發布 Ultrafuse 17-4PH 的打印機配置文件以來，UltiMaker使用戶能夠在其 S5 機器上打印完整的金屬部件。2022年，Ultimaker 推出了全新的金屬 3D 打印套件：Metal Expansion Kit。Ultimaker 產品經理 Andrea Gasperini 表示：“Ultimaker Metal Expansion Kit 特別適用于打印非現成部件，例如工具、夾具和固定裝置、更換部件、功能原型和輔助組件。該套件提供了對完整且經過驗證的 3D 打印工作流程的訪問。
●架構：雙擠出機
●打印體積：330 x 240 x 300 毫米
●噴嘴溫度：180-280℃
● 層分辨率：使用 0.25 毫米噴嘴時為 20 微米
●價格：8,000 美元
Zortrax M300 Dual
△Zortrax M300 Dual 全金屬打印套件
Zortrax 是最新的 FDM 3D 打印機制造商之一，與 BASF Forward AM 合作創建打印周邊和附件套件，使 M300 公司或其 Edural 3D 打印機能夠打印完整的金屬部件。Zortrax 全金屬套件支持使用兩種最常用的鋼材制作3D打印模型：316L 手術級不銹鋼和 17-4 PH 硬化鋼。要使用金屬絲進行打印，您可以將打印機的標準熱端模塊替換為包裝中包含的模塊，加載隨附的打印和支撐絲，使用隨附的 Magigoo Pro 金屬膠覆蓋構建平臺，使用 Z 中的默認設置打印您的部件-Suite。
●構建體積：265 x 265 x 300
●層分辨率：90-290微米
●擠出機：雙投
●最大擠出機溫度：290°C
●最高床溫：105°C
金屬絲的特點
△The Virtual Foundry 的燈絲制成的固體金屬零件
金屬絲3D打印成本較低，與傳統方法的單獨生產相比，可將小批量金屬零件的成本降低 90%。使用普通金屬原料（例如線材）和金屬注射成型中使用的相同顆粒的新興技術有可能消除金屬絲 3D 打印中的脫脂和燒結步驟，并大大降低原材料的價格。金屬絲比金屬粉末危險性小，但它仍然由金屬粉末制成，這是一種昂貴且耗能的產品。脫脂劑需要溶劑，熔爐需要大量的能源和氣體，例如氬氣，這也會增加環境影響和成本。
上一篇 3D打印技術面臨的挑戰
下一篇 3D打印助力微創治療骨盆骨折
