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金屬絲3D打印–終極指南

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本文，魔猴網(wǎng)和大家一起學(xué)習(xí)如何使用金屬絲進(jìn)行3D打印，以及了解金屬線材的機(jī)械性能。

Forward AM的Ultrafuse金屬絲和BCN3D機(jī)器上打印的金屬部件（來源：BCN3D、Forward AM）

一、什么是金屬絲？

使用Ultrafuse金屬絲在Raise3D的Forge1 3D打印機(jī)上打印金屬零件（來源：Raise3D）

用于打印金屬零件的金屬絲由塑料基底和均勻注入的金屬顆粒組成。用于金屬零件的金屬注入長(zhǎng)絲是一種獨(dú)特的復(fù)合長(zhǎng)絲，只要使用得當(dāng)，就能生產(chǎn)出強(qiáng)度高、耐化學(xué)腐蝕、近乎堅(jiān)固的金屬零件（98%以上）。

與所有其他類型的長(zhǎng)絲不同，用于金屬零件的金屬長(zhǎng)絲在打印后需要經(jīng)過2步或通常3步工藝，包括用化學(xué)溶劑去除打印件中的聚合物，然后將打印件放入燒結(jié)爐中，使其凝結(jié)成金屬零件。

它不僅僅是金屬色或裝飾金屬

不要將這些金屬絲與裝飾用金屬絲混淆。金屬絲僅以其顏色命名為"鋁"或"銅"，有些以PLA+metal出售的金屬絲僅含有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，含有較高比例的金屬粉末（高達(dá)80%），但只是為了在外觀上模擬金屬。這些材料不需要任何類型的后處理來去除塑料，但可以通過拉絲、打磨或拋光來獲得金屬的外觀和感覺。除裝飾件外，這些材料還非常適合用于制作最終將由金屬制成的部件的視覺原型，這些部件可以是鑄造的，也可以是用其他方法3D打印的。

二、如何使用金屬絲打印

Anycubic使用金屬絲和3D打印機(jī)3D打印金屬部件（來源：Anycubic）

金屬絲的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是它很容易在普通3D打印機(jī)上打印，但不要被它迷惑了。雖然金屬絲可以在任何帶有加熱床和硬化鋼噴嘴（可達(dá)到至少180oC至220oC的所需溫度）的FDM打印機(jī)上流動(dòng)，但打印金屬的過程遠(yuǎn)比您想象的要復(fù)雜得多。

事實(shí)上，使用金屬絲打印的部件設(shè)計(jì)、方向、壁厚和支撐結(jié)構(gòu)與任何其他類型的絲都不同。因此，從理論上講，您可以在200美元以下的機(jī)器上打印金屬絲，如Ender 3或Anet A8，但一定要遵循金屬絲制造商和打印機(jī)制造商的設(shè)計(jì)指南。

另外，在未經(jīng)"認(rèn)證"的打印機(jī)上使用金屬絲進(jìn)行打印時(shí)，一定要小心謹(jǐn)慎；對(duì)于任何金屬絲，都有理想的切片機(jī)和打印機(jī)設(shè)置，以確保您從一開始就能最大限度地利用這種材料，而無需嘗試床層溫度和擠出速度--并在此過程中浪費(fèi)大量金屬絲。

使用Nanoe Zetamix 316L不銹鋼打印的部件大約有80%致密的金屬部件（來源：Nanoe）

例如，一些FDM打印機(jī)制造商（Makerbot、UltiMaker、Raise3D、Zortrax和BCN3D）已認(rèn)證可在其打印機(jī)上使用Ultrafuse品牌金屬絲，并與Ultrafuse生產(chǎn)商BASF Forward AM合作，經(jīng)過長(zhǎng)期測(cè)試和實(shí)驗(yàn)，開發(fā)出理想的打印機(jī)設(shè)置。

其他打印機(jī)可能會(huì)滿足所需的最低打印床和噴嘴溫度準(zhǔn)則，但如果制造商沒有測(cè)試或認(rèn)證過金屬絲打印，那么在找到理想設(shè)置之前，你可能會(huì)經(jīng)歷一些失敗的打印。金屬絲的起價(jià)為每500克150美元。

如果打印機(jī)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也是一個(gè)挑戰(zhàn)。金屬絲的打印速度相對(duì)較慢。根據(jù)您的機(jī)器和零件設(shè)計(jì)，您應(yīng)該以30毫米/秒或40毫米/秒的速度開始打印，這與打印尼龍的速度類似。

Markforged的這張圖顯示了金屬絲3D打印的步驟，但我們已經(jīng)繼續(xù)修改了最后一部分，以更清楚地表明您的零件將收縮15%到20%（來源：Markforged）

你的金屬部件會(huì)縮小

需要注意的是，零件在后處理過程中會(huì)收縮（根據(jù)設(shè)計(jì)和長(zhǎng)絲品牌的不同，收縮率從原始體積的18%到25%不等），因?yàn)槠渲械乃芰喜牧蠒?huì)被去除，而剩余的金屬則會(huì)凝結(jié)。在打印尺寸精度要求較高的功能部件時(shí)，這就增加了難度。不過，收縮因子是一致的，因此您可以對(duì)初始CAD模型進(jìn)行適當(dāng)縮放，切片軟件也可以自動(dòng)計(jì)算。

Forward AM的Ultrafuse具有較窄的收縮窗口，XY軸上為16-17%，Z軸上為19-20%。使用The Virtual Foundry公司的Filamet品牌金屬絲，按照該公司公布的去毛刺/燒結(jié)工藝，銅和青銅的打印收縮率約為5%，鋼的收縮率約為10%。如果排膠過程不順利，Z會(huì)出現(xiàn)膨脹，但在成功的循環(huán)中，Z的收縮應(yīng)該比X和Y稍大一些。該公司表示，總體而言，正常收縮率為7-10%。最終零件的密度為80-85%，但零件的燒結(jié)時(shí)間可以更長(zhǎng)，這意味著收縮率更大，密度更高。

此外，Ultrafuse還提供了全面的用戶指南，其中包括有關(guān)公差、收縮和縮放、壁厚等方面的信息。

以下將排膠裝置和燒結(jié)裝置打包提供的打印機(jī)制造商都提供工作流程軟件，可幫助確保您的零件符合設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并優(yōu)化所有打印和燒結(jié)設(shè)置。

對(duì)于跳過排膠階段的長(zhǎng)絲，如The Virtual Foundry和Nanovia，綠色部件必須在熱排膠階段埋入氧化鋁粉中，這是另一種需要購(gòu)買的材料，但成本低于排膠裝置。

使用Ultrafuse金屬絲套件在UltiMaker S5上打印不銹鋼零件（來源：Ultimaker）

金屬絲設(shè)計(jì)

如果您習(xí)慣于使用聚合物長(zhǎng)絲進(jìn)行打印，那么請(qǐng)注意，在使用金屬長(zhǎng)絲打印時(shí)，由于脫膠和燒結(jié)過程的原因，會(huì)有一些特殊的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。您的部件可能看起來打印得非常完美，但一旦從熔爐中取出或從燒結(jié)服務(wù)中取回，它可能會(huì)看起來非常扭曲。

首先，根據(jù)MakerBot（現(xiàn)為UltiMaker的一部分）制定的金屬絲打印指南，高寬比應(yīng)保持在3:1以下，壁高寬比應(yīng)保持在6:1以下，以防止在排膠和燒結(jié)過程中出現(xiàn)塌陷或變形。此外，根據(jù)MakerBot的說法，"打印部件應(yīng)盡可能平整，并盡可能增加支撐，以提高部件在排膠和燒結(jié)過程中的存活率。通過在打印和后處理階段戰(zhàn)略性地使用零件方向和支撐結(jié)構(gòu)，可以顯著減少零件的塌陷和變形"。

Markforged Sinter-2是一款專為中批量生產(chǎn)和大型打印零件而設(shè)計(jì)的熔爐（來源：Markforged）

需要后期處理

3D打印金屬絲并不能在打印床上立即打印出堅(jiān)固或可用的金屬部件。事實(shí)上，最初打印的部件被稱為"綠色"部件，非常脆，幾乎沒有金屬特性。因此必須進(jìn)行后期處理。

打印完成后，"綠色"零件需要經(jīng)過脫膠處理，這是一種使用熱量或溶劑溶解塑料或粘合劑成分的工藝。這一步驟會(huì)在整個(gè)部件上形成開放的孔道。這種多孔部件被稱為"棕色"部件。

作為例外，Filamet品牌的金屬絲不需要化學(xué)脫膠，而是利用熔爐的熱量去除塑料粘合劑。3D打印機(jī)制造商Desktop Metal和Rapidia（使用的是金屬漿料，而不是金屬絲）也有一種從打印機(jī)到燒結(jié)的兩步法，可以省略排膠步驟。

棕色部件隨后在熔爐中燒結(jié)，熔爐會(huì)將部件均勻加熱到略低于熔點(diǎn)的溫度，去除剩余的粘合劑并熔化金屬顆粒，形成致密的部件。大多數(shù)金屬絲材料都可以用普通窯爐硬件燒結(jié)，只要它能保持燒結(jié)溫度數(shù)小時(shí)即可。

按需3D打印公司Fastparts還將對(duì)您的金屬部件進(jìn)行脫粘和燒結(jié)，然后將其寄回給您（來源：Fastparts）

外包排膠和燒結(jié)

說到這里，您可能會(huì)對(duì)這些額外的設(shè)備產(chǎn)生疑問。有幾家制造商提供一整套設(shè)備，包括打印機(jī)、清洗機(jī)或除渣器以及燒結(jié)爐。這樣，您就可以在公司內(nèi)部完成整個(gè)流程，并通過一個(gè)軟件來協(xié)調(diào)或自動(dòng)化這些流程。不過，您不必?fù)碛谐骰驘Y(jié)爐也能打印金屬零件。

三、金屬絲金屬零件的機(jī)械性能

BCN3D的這張圖顯示了綠色不銹鋼3D打印部件（左），然后進(jìn)行燒結(jié)、中間處理和最終拋光（來源：BCN3D）

金屬絲上市已有一段時(shí)間，并在廣泛的應(yīng)用中經(jīng)受住了考驗(yàn)。它比標(biāo)準(zhǔn)桌面FDM 3D打印中使用的幾乎所有塑料都要堅(jiān)固，而且最終零件還能表現(xiàn)出您所期望的堅(jiān)固金屬零件的特性。

典型應(yīng)用包括金屬噴嘴、齒輪、醫(yī)療工具原型和閥門。使用金屬絲制造的部件一般不用于承受極高應(yīng)力的最終使用部件。

盡管使用金屬絲進(jìn)行3D打印可能不適合對(duì)強(qiáng)度有嚴(yán)格要求的應(yīng)用，但在經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的FDM機(jī)器上生產(chǎn)致密的非關(guān)鍵金屬部件，其經(jīng)濟(jì)因素可能會(huì)超過它們?cè)谀承└邞?yīng)力應(yīng)用中的不兼容性。

金屬絲3D打印零件的特性

Forward AM的研究表明，使用Ultrafuse 316l不銹鋼長(zhǎng)絲正確3D打印出來的金屬零件在XY（平面）方向的抗拉強(qiáng)度為561兆帕，在ZX（直立）方向的抗拉強(qiáng)度為521兆帕。相比之下，用金屬注射成型制造的相同部件在兩個(gè)方向上的抗拉強(qiáng)度均為540兆帕。

在斷裂伸長(zhǎng)率方面，3D打印部件沿層線（ZX）的抗拉強(qiáng)度是模塑部件的一半，但在XY方向上不相上下。打印方向或確定層線的位置對(duì)零件性能起著重要作用。

3D打印部件的屈服強(qiáng)度（即材料開始變形時(shí)的應(yīng)力）（XY方向?yàn)?51兆帕，ZX方向?yàn)?34兆帕）明顯高于模塑部件（180兆帕）。

但是，你可能會(huì)問，層又是怎么回事呢？最近的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)層方向與拉伸方向平行時(shí)，部件的強(qiáng)度比層方向與拉伸方向垂直時(shí)低得多。這項(xiàng)研究使用的不是Ultrafuse或Filamet，而是一種60%的金屬和40%的塑料粘合劑材料。

Ultrafuse的技術(shù)數(shù)據(jù)顯示XY和YZ強(qiáng)度值相似。

不過，3D打印部件的設(shè)計(jì)和打印方向起著至關(guān)重要的作用。為了降低機(jī)械不穩(wěn)定性的風(fēng)險(xiǎn)，F(xiàn)orward AM建議在打印前按照其在線指南進(jìn)行"排膠穩(wěn)定性模擬"。這可以估算內(nèi)應(yīng)力，評(píng)估部件在排膠過程中的結(jié)構(gòu)完整性，還可以直觀地顯示哪些結(jié)構(gòu)特征存在風(fēng)險(xiǎn)。

這種燒結(jié)模擬是通過Forward AM的虛擬工程服務(wù)提供的一項(xiàng)服務(wù)。有了這些工具，您就可以確定金屬絲印刷是否最適合您的零件。

四、金屬絲的缺點(diǎn)