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“间接”金属3D打印新流派,会对“直接”造成什么冲击?
来源:优速得3D打印店 | 发布时间: 2019-03-10

三维打印机报道金属3D打印是目前3D打印领域最让人关注的话题,从飞机发动机组件到空间卫星零件的制造都将金属3D打印变成话题的聚焦点。但实际情况是,金属3D打印是个宽泛的概念,这其中包含了非常多样化的技术,这些技术我们通常不加以区分而是堆积在一起相提并论,尽管他们使用不同的打印技术和不同的金属原料(金属粉末、金属丝或者是金属片材)。

不过,整体上可以分为两类,第一种是包括粉末床融化(SLM,EBM),直接能量沉积(LENS)等技术的“直接金属3D打印技术”;第二种是包括金属注射成形(MIM)、粘合剂喷射、FDM熔融挤出金属3D打印技术等需要后处理加热除去粘结剂和烧结的“间接金属3D打印技术”。并且“间接”技术的相关公司,例如Markforged、Desktop Metal等不断获得大额融资,来势汹汹,风光一时,进而引起《“间接”金属3D打印新流派,会对“直接”造成什么冲击?》这样的思考和讨论接下来,南极熊盘点那些“间接金属3D打印技术”厂商和设备,让熊友全面了解下,望周知!
Markforged“原子扩散增材制造”(ADAM)技术
厂商:美国3D打印机厂商Markforged
机型:Metal X金属3D打印机
△Metal X金属3D打印机
技术解析:
ADAM与粘合剂喷射技术有些类似 ,首先,会通过层层沉积被塑料粘合剂包裹着的金属粉末构建出3D实体,然后通过烧结将粘合剂去除,最后只留下金属的部分。值得注意的是,由于烧结过程是一种整体性的烧结,能让金属晶体“穿过”粘结层,所以出自这种技术的打印件强度很高,能直接应用于工业。原子扩散是高温下原子的热运动打破了晶体的位置束缚而产生的换位与移动,通常在高温发生的相变和析出过程中,铁原子和合金原子通过扩散改变相结构和成分,这就是扩散相变。
采用ADAM与粘合剂喷射技术的Markforged 金属3D打印机使用的材料是线材!不是金属粉末,而是金属线材!这意味着METAL X可以更方便的被使用!它不需要严格的使用环境,而且,METAL X可打印出来的零部件在经过烧结之后可以直接使用!
△Metal X金属3D打印机打印过程
Metal X的材料兼容性也很好,目前能打印钛、铝、高端不锈钢17-4和303等多种金属,未来据说还能打印常用于注塑工艺的工具钢。另外,它还配备了可连接云软件Eiger的激光检测系统,能在打印过程中检测每一个打印层的情况。
Metal X金属3D打印机样件
特点:
成本低廉:使用成本仅为其它金属3D打印机的十分之一,是传统金属加工制造的百分之一。
使用方便:基于云的打印机管理软件、内置的触摸屏界面和自动跟踪材料使得Metal X系统是制造金属零件最简单的方法。
优势:
通过打印在塑料基体中的金属粉末,消除了传统金属3D打印所带来的安全风险,同时使新的功能,如封闭的细胞填充,以减少部分重量和成本。
Metal X金属3D打印机参数:
打印尺寸
250mm×220mm×200mm
监测参数
50微米电子束直径
1微米z轴分辨率
机器尺寸
575mm×467mm×1432mm
Z轴分辨率
50微米
打印材料
17-4不锈钢
303不锈钢
A-2工具钢
D-2工具钢
6061铝合金
7075铝合金
IN Alloy(inconel)625
TitaniumTi-6Al-4V
软件
单一用户登录
双重身份验证
管理打印队列
第一时间使用新功能
基于云端
本地存储
以色列XJet纳米颗粒喷射成型技术
厂商:以色列XJet
机型:Carmel 700和Carmel 1400
△Carmel 1400  3D打印机
技术解析:
XJET 3D打印技术的进化源泉,最开始时候惠普的平面打印技术,接着进化到Objet喷射3D打印技术(材料是石膏粉末+粘合剂+着色剂),现在进化到XJET 3D打印技术(材料是金属微颗粒+粘合剂),技术路线一脉相承但又得到巨大进步。
技术原理:
1.将大分子金属颗粒粉碎成纳米级颗粒;
2.将纳米金属颗粒注入粘合剂,构成完整的打印墨水;
3.通过特制的喷头将墨水喷出实现打印;
4.成型之后,构建室会将前面起到的粘合剂蒸发,只留下金属部分,成型温度约为300℃:;
技术特点:
①更高的产品精度
②更灵活的产品尺寸
③材料利用率高,节约成本
④直接获得可应用的产品,不用打磨
⑤无需惰性气体或者真空环境,更加安全
⑥材料选择方便,颗粒度也可调节
⑦支撑更容易去掉
⑧整个打印流程更加简单
但也有缺点,就是打印件对温度的耐受能力较传统金属3D打印更低。
XJet纳米颗粒喷射成型技术打印金属样件
这种新技术的好处之一就是能使用普通的喷墨打印头作为工具。好处之二则是无需借助任何外力即可通过专门的技术融化去除支撑结构 — 与普通的选择性激光烧结(SLS)金属3D打印工艺需要以同样的材料建立支撑相比不但更容易实现,能显著减少浪费,从而降低成本,而且还能给予设计师更大的自由 — 因为它是通过融化去除的,所以理论上可以无限添加。
Carmel 700和Carmel 1400  3D打印机介绍
相同点:
①既能打印金属又能打印陶瓷,且打印质量(包括表面质量、细节和精度)很高。
②都采用了交互式触摸屏,操作十分简单。
③打印的支撑结构很容易拆除。
不同点:
①Carmel 700的打印尺寸较小,为500毫米 x 140毫米 x 200毫米,Carmel 1400则要大一些,为500毫米 x 280毫米 x 200毫米(约1400立方厘米)。
②Carmel 1400可以通过app远程控制和监视,而Carmel 700不行。
③会使用不同的墨水来打印目标对象和支撑结构。
HP Metal Jet(金属喷射)3D打印技术(voxel-level binder jetting technology"(体素级粘合剂喷射技术))
厂商:惠普
机型:HP Metal Jet 金属3D打印机
△HP Metal Jet 金属3D打印机
技术原理:
惠普Metal Jet先采用的HP Metal Jet(金属喷射)3D打印技术打印,然后再进炉烧结。HP黏结剂是一种水基聚合物液体剂,通过热喷墨打印头喷射,粘结剂在粉末床上通过毛细作用力浸入粉末间隙,实现均匀分布,在高温辐照下将金属颗粒结合在一起,同时溶剂部分挥发。打印完成之后,零件要进炉烧结,粘结剂在此过程中分解,据惠普公开的资料显示,零件的致密度为93%。
技术图解:
将粉末层层铺在平台上,然后选择性地喷射粘合剂,使金属粉末固化。打印结束后将零件放入炉中烧结。冷却后可以对零件进行机加工和抛光,以满足尺寸和表面光洁度要求。金属打印机的每个打印头能够生成一个108毫米(4.25英寸)的打印带宽,打印带包括两个独立的结构,每个结构拥有5,280个喷嘴。
惠普Metal Jet优势:
高效率
成型尺寸430 x 320 x 200 mm。
短短几天内就可以完成设计迭代,加速产品开发。
无需脱脂,无需复杂的后处理。而在金属注射成型(MIM)中,需要长达20个小时的脱脂过程。
HP Metal Jet解决方案,缩短流程,提高制造效率。
低成本
金属3D打印机的价格低于399,000美元(约2,740,000人民币,该价格为2020年HP打印机上市的预估价格)。
HP平台是开放式的,与低成本材料、烧结后处理方案都有着很好的兼容性。
很高的可重复使用率,减少材料浪费。
高品质
实现复杂零件的打印,精度高达1200 x 1200 dpi 。(什么是dpi呢?指的是把一英寸分为1200等份,每一份的精度)层厚可达到50至100微米。
HP自主研发的专用粘合剂,保证金属零件的机械强度。
烧结后的密度> 93%,与MIM相似。
严格的工业制造技术,实现稳定、一致的打印质量。已经达到甚至超越了ASTM行业标准(美国材料与试验协会)。
△HP Metal Jet 打印样件
类似的,还有粘合剂喷射技术专家ExOne推出了X1 25PRO,这是一款结合了公司的INNOVENT +精细金属注射成型(MIM)技术和生产量能力的新型3D打印机。新机器的开发以MIM,粉末冶金和制造客户为中心,非常适合批量生产。
△利用X1 25PRO,客户将能够使用粉末冶金标准粉末生产高质量的零件,包括316L,304L和17-4PH不锈钢; Inconel 718和625; M2和H11工具钢; 钴铬合金; 铜; 碳化钨钴; 和其他的金属合金。
瑞典DigitalMetal粘合剂喷射金属3D打印技术
厂商:瑞典DigitalMetal
机型:DMP2500粘合剂喷射金属3D打印机
△DMP2500粘合剂喷射金属3D打印机
瑞典DigitalMetal DMP2500高精度的粘合剂喷射金属3D打印机,能生产“比之前的任何技术更小、更复杂的部件”。
技术原理:
粘结剂喷射用于3D打印复杂零件与工业级材料。它是一种增材制造过程,其中液体结合剂被存放加入金属粉末微粒。然后将层状材料粘合成金属物体。通过粉末和粘结剂的分层打印。这不是一种新技术,基于粘合剂的3D打印技术是在麻省理工学院开发的,已经20年。现在,因为专利已经过期,所以得到迅猛的发展。
DMP2500:
这款机器使用金属粉末,能进行连续生产,是制造定制零件的理想选择,打印速度高达100立方厘米/小时,打印层厚为42微米。它有一个较大的构建体积,为2500立方厘米,单次可以打印多达50000个的零件。更好的是,这些打印件不需要支撑结构。这款机器也非常高效,因为它可以重新使用在烧结前清理下来的粉末。这导致了高产量和低废品率,意味着停机时间将保持在*水平。此外,由于部件内部结构发生了相对较小(但在以前是无法实现的)的变化,总体的产品效率提高了30%。
DMP2500技术规格:35分微米的XY分辨率,处理前的平均表面粗糙度为Ra6微米。这些数字意味着打印机可以生产出“具有医疗级平滑度的复杂结构”,即使打印件的尺寸很小。DMP2500能处理几种材料,因为打印后还会进行烧结。 
FDM金属注射成形(MIM)3D打印技术
厂商:佛山亘易隆
设备:亘易隆P/F2DM
△亘易隆P/F2DM
技术原理:
基本工艺过程是:将金属粉末与粘结剂,制成具有流变特性的混合材料,通过FDM技术打印成形件毛坯,毛坯件经过脱除粘结剂和高温烧结后,即可得到各种金属零部件。
技术特点:
1、适合各种粉末材料的成形,产品应用十分广泛;
2、原材料利用率高,生产自动化程度高,适合连续大批量生产。
3、能直接成形几何形状复杂的小型零件(0.03g~200g);
4、零件尺寸精度高(±0.1%~±0.5%),表面光洁度好(粗糙度1~5μm);
5、产品相对密度高(95~100%),组织均匀,性能优异。
MIM技术的工艺流程图:
△亘易隆P/F2DM打印样件
亘易隆P/F2DM适应的材料
常规不锈钢系列 S304L S316L 17-4PH
低合金钢系列 Fe 2 Ni Fe8Ni 8740
超合金系列 Inconel718 Inconel713C Inconel625
工具、模具钢系列 SKD11 SKH51
陶瓷系列 AL 2 O 3  SiC ZrO 2
其它无机材料及高分子材料
易隆3D金属颗粒成形机特点:
颗粒成形,打印特制金属颗粒,熔点接近合金颗粒,金属颗粒成形后要脱脂,烧结。
可以直接打印PLA等颗粒,和FDM比不需要卷成线材,节省成本,知道不同材料融化温度,调节适合的打印温度就可
颗粒成形不堵头,打印连续性好
GE喷射粘合剂金属3D打印机
厂商:GE
设备:H1 3D打印机原型(未发布)
△H1 3D打印机原型
技术原理:
粘合剂喷射技术使用粘合剂材料将金属粉末颗粒粘合成特定的形状和结构。该工艺与激光烧结工艺明显不同,激光烧结工艺使用激光束熔化金属粉末和熔合层,直到形成一个形状。粘合剂喷射技术就其本身而言将特定的(和专有的)粘合剂材料沉积到平整的金属粉末的打印床上,这使得金属颗粒在施加胶水的任何地方粘在一起。一层一层重复,直到所需的结构(由三维模型确定)完成。
GE声称,其粘合剂喷射3D打印机比激光系统打印“速度至少快10倍”。而且,它也能够生产更大的零件。该技术唯一的缺点(与激光3D打印相比)是,打印的部件需要更多的后处理。也就是说,由于金属颗粒被简单地粘合在一起,所以打印物体仍然相对较为脆弱,必须在工业级烘箱中固化以使金属颗粒适当地融合在一起。
△打印样件
粘结剂喷射技术于金属打印的意义
1)成型材料多样化:SLM与EBM,尤其是激光与粉末相互作用过程,涉及到粉末吸收率的问题,很多高反射金属粉末难以熔化成型;也有很多特殊成分的粉末无法实现光洁成型,导致打印失败(如一种合金,主要成分的熔点低于另一种成分的沸点)。粘结剂喷射技术的成型特点,较好的避免了这种现象的发生。
2)后处理更加方便:在支撑添加方面,粘结剂喷射技术也有较大的优势,由于采用粉末自支撑,后处理大大简化。而且不必为了减少支撑而迁就摆放方式,尽可能按照减少时间的方向打印提高效率。
3) 打印结构更加复杂:有些空腔、封闭网格结构采用SLM需要添加复杂的支撑,而粘结剂喷射技术可较好的规避该问题。
4)清粉方式更加友好:粘结剂喷射技术粉末的清理不必像SLM那样完全清理和筛分,仅需要回收装置定点吸粉即可。
5)成型幅面更大:由于不存在大幅面失真问题,粘结剂喷射技术可实现大幅面成型,exone的一款金属喷墨打印机达到了800x500x400mm的成型尺寸。
6)维护更加方便:SLM采用激光成型,须定期对激光光路进行维护,需要售后人员上门服务;同样,EBM也存在保养维护的问题。而粘结剂喷射技术要简单的多,只需要对喷头进行清洗,简单方便。
Desktop Metal结合金属沉积(BMD)
厂商:美国Desktop Metal
设备:桌面级的Studio和工业级的Production
技术原理:
结合金属沉积(BMD)与目前金属3D打印最常用的激光熔融(SLM)不同(不会用到激光器,使用的材料也并非金属粉末),与熔融沉积(FDM)类似,都是通过挤出液滴再层层堆积的方式构建3D实体的,只不过材料不是塑料,而是金属。以金属丝材为原材料,通过电感等方式熔化丝材,并在静电力/磁场等作用下控制喷嘴出液滴的表面张力,在压力等作用下将金属液滴沉积在成形平台上;成形过程中会控制平台、喷射系统的温度,并对形成的缺陷进行监控并予以修复。
技术图解:
△铺粉器将金属粉末精确的铺在打印区上,碾压系统将粉末压成头发一样纤细的薄层
△16000个喷头以每秒百万滴的速度喷射出粘合剂,将金属粉末粘合在一起,形成高分辨率的薄层
△然后喷洒防烧结剂,帮助去除零件支撑结构,为后处理节省时间
△烤干薄层,如此反复操作
△金属零件就被一层一层的打印出来,打印速度非常快
△最后放到微波熔炉中进行致密化处理,也就是通过高温加热让金属粉末烧结到一起,同时去除掉刚才喷到薄层之间的粘合剂。
技术优势:
· 金属3D打印机成本一定程度降低;
· 打印耗材的成本一定程度降低;
· 对于工作环境的要求会大幅度的降低。
studio亮点  :
1.安全且简单
因为不使用激光,也避免了粉尘污染,DM studio System对任何环境来说都是安全的。与其他系统不同的是,DM studio System不需要第三方设备、外部通风或特殊设施,只需要电力和互联网连接。
2.可分离的支撑
DM studio System专有的可分离式支撑使得可以通过手动移除支持结构。金属后处理加工的巨大难点被完美解决。。
3.高致密度,高质量的零件
SYS的工艺技术保证了高质量的部件,密度在96%-99%之间(取决于使用的合金材料),零件的性能与锻件类似。
Virtual Foundry低成本金属3D打印方案,FDM成型→脱脂→烧结
厂商:Virtual Foundry
设备:原型机
技术原理:
打印分为三个阶段,即3D打印→脱粘→烧结。它在成本、安全性和可用性方面都有很大优势。 Virtual Foundry的金属3D打印系统提供从CAD到金属部件的完整工作流程解决方案。人们能够以低至10,000美元的价格实现3D打印金属。
打印:Virtual Foundry的Filamet™金属3D打印线材,从家庭级到工业3D打印机中都能够完美地工作。如果用户会打印PLA,就可以打印Filamet™。不需要特别的调整或设备,这些金属含量83+%的丝材,就像普通的3D打印机一样使用。
脱脂:Filamet™打印的物品只需加热即可清除粘接剂,因此此步骤不需要额外的设备,很容易达到烧结过程。
烧结:Virtual Foundry使用最高温度为1400°C的炉子,提供全自动烧结。使用闭环热控制,它可以预先编程设定。套件包括开始所需的东西:真空泵,夹钳,手套,烧结船和耐火压载物。
技术优点:
- 使用您普通的3D打印机。
- 尺寸仅限于3D打印机和炉子的限制。
- 安全性很高,在生产的任何阶段,都不会有金属粉末飘到空气中。它还可以融入到低成本的金属3D打印教育解决方案中。教育工作者已经在新材料和金属增材的课程中加入了Filamet™。
武汉易制3DP粉末粘合金属3D打印机
技术原理:武汉易制3DP 粉末粘合金属3D打印机,采用复合金属粉末材料(包括金属粉末基材、促烧剂、还原剂等),通过高速多射流单道成形技术喷射多组分成形剂于粉床,不需要添加额外支撑,经过脱脂和烧结等后处理方法完成成品金属零件的制造。
该技术不仅可以大规模生产金属3D打印零部件,同时可以使零件在不同部位具有不同性能。成形剂中的粘结剂组分使粉末粘结成形,调节改性剂组分比例可以改变零件的硬度、耐磨性和耐高温性等。例如,在零件表面增加硬度和耐磨性能。该技术对金属粉末材料的要求不像激光熔化技术那样高,粉末的形状不需要是球形,椭圆形、甚至其它不规则形状都可以,使得材料成本极大降低。显然,该技术能显著降低打印成本,使其成为广泛使用的金属制造技术,既能提供更快的生产速度、质量,同时还能降成本。
技术特点:
1、无需使用激光烧结系统,可直接喷印复合金属粉末材料,不受粉末材料形状制约;
2、无需添加支撑,可实现大规模生产金属零件打印;
3、大幅度降低零件打印成本和加工周期;
4、具有独特工艺,可以实现在零件表通过调节改性剂组分改变零件硬度、耐磨性及耐高温性能等性能,满足不同需求;
5、适合于航空航天、医疗、模具、铸造、高校、研究院及材料研究等多个领域,与工业制造相衔接。
6、脱脂烧结过程中,会有一定的收缩率,可以在软件中补偿。
那么这台设备在实际的应用中表现如何呢?据介绍,加工一套400mmх400mmх150mm的金属鞋底模具。使用传统数控加工方法,通常需要15-30天时间,而采用此技术加工周期只需1天,费用约800-2000元。显然,3DP金属打印机能在鞋厂鞋模的一次性快速制作中,极大缩减时间成本,只需1天的时间便可以打印出一双金属鞋模。这对于金属模具的研发和制作很大的压缩了加工周期和减少了生产成本。三维打印机报道