FDM高粘度金属浆料3D打印技术，简化原料处理和储存问题，保存寿命长

2021-07-19 14:20

导读：在金属3D打印领域中，像SLM、SLS、EBM等基于粉末成形的工艺多被人们所熟知，但行业内对金属浆料打印的研究就相对小众许多。在之前的文章中，南极熊也曾整理了一些有关金属3D浆料打印的案例（详见相关报道《旧瓶装新酒？金属浆料直写3D打印技术现状》），但也多是以高校内的实验室研究为主，市场上对此类打印工艺的应用案例并不常见。

一种低成本的金属3D打印技术来了，非常适合模具、工具行业！

2021年7月，南极熊获悉，国外一家名为Mantle的初创3D打印公司就选择金属浆料打印作为他们的研究方向，和FDM技术非常像，只是材料由线材／颗粒料变为金属浆料。这家公司的联合创始人兼首席科学官Steve Connor博士详细解释了他们公司在其金属3D打印机中使用浆料作为材料的技术原因，而不是像几乎所有其他金属3D打印机制造商使用的长丝、粉末或液体。南极熊认为其中有很多值得借鉴的地方，特意整理了一些相关信息与大家分享。

△使用高粘度金属浆料3D打印技术制造的模具零件
技术原理

Mantle 的 TrueShape技术可从 CAD 文件打印、成型和烧结精密金属零件，其时间和成本仅为传统制造的一小部分。

△技术流程总体分为三步：打印→切割→烧结。首先，Mantle 的 Flowable Metal Paste 材料使用精确定位系统和基于挤压的打印头打印成零件的形状。同时，会使用刀具高速切割沉积层，改善零件表面光洁度和细节。最后，在高温炉中，零件被加热到略低于其熔点的温度，熔化成致密的固体金属零件

△金属3D打印糊状材料，来源：Mantle

Mantle公司作为3D打印领域的一家新创业公司，最近才从慢慢走进大众视野，这一点要跟他们公司没有进行较多的的相关产品展览有关。据了解，Mantle的市场定位是工业金属工具，他们的整个系统以及推出的金属3D打印工艺也是围绕这个市场设计的。

简而言之，Mantle的工艺特点在于是使用浆料挤出机来精确沉积金属浆料，从而达到成坯的效果。随后对沉积生坯进行加热以去除粘结剂，并将金属颗粒烧结在一起，然后进行数控铣削动作以平滑表面。这样一层一层地重复，直到物体被建造出来。

金属3D打印材料：高粘度浆料

Mantle与大多数3D打印机制造商不同，他们没有遵循从技术入手后再去寻找市场的模式。相反，他们首先选择了市场，然后才针对性地解决技术问题。

△浆料金属3D打印技术，比MIM、SLM、粘合剂喷射等其它3D打印技术材料的优势

TrueShape? 工艺的基础是一系列专有的可流动金属浆料（FMP）材料。在液体中加入金属颗粒，以确保打印过程中的安全性和一致性。浆料中不同的颗粒类型和尺寸可最大限度地减少烧结过程中的尺寸变化，优化材料工艺获得零件的最佳性能。

Mantle 目前已有的材料包括：

P2X 材料，与流行的 P20 工具钢类似，但具有更高的耐腐蚀性和耐磨性。

H13 材料，就像标准的 H13 工具钢一样，可以硬化到大于 50 洛氏硬度。

特殊配方的高硬度钢与液体粘合剂混合，配制成为金属浆料。

金属3D打印现在是一种应用广泛的技术，有多家供应商都在提供相关产品。大多数厂家都选择使用粉末床熔融（PBF）工艺，原理是粉末被移动的高能热源选择性地逐层熔化。其他金属成形工艺还包括以金属纳米颗粒的液体（如喷射型XJet）和高纯度的金属丝（如同轴送丝激光焊接）为原材料进行打印的方法。

虽然上述这些工艺确实有效，并已被许多公司成功使用，但每种工艺都有各自的挑战。一些工艺只能生产低精度的零件，另一些制造的工件强度较差。还有一些涉及复杂的设备环境，以防止操作过程中出现污染、杂质等，大多数就算制造出来成本也是相当昂贵的。

Mantle评估了所有这些工艺以及更多的工艺，但最终选择了浆料作为他们的材料类型。据了解，这在金属3D打印行业内是十分罕见的。

使用＂单一金属粉末＂进行打印有许多挑战。PBF确实有效，但很难做到，首先高昂的成本就是首要考虑的问题，当然针对于航空、军工等这些不计成本的领域就另当别论了。这也是Mantle公司放弃了粉末成形方式的原因，因为他们的目标市场与航空业不同，很可能无法承担这种工艺的成本。

Mantle还遇到了液体金属墨水打印常见的问题，因为虽然液态墨水很容易流到沉积喷嘴，但在沉积后很难控制，这促使他们考虑采用更高粘度的浆料式打印。

Connor解释了浆料材料的好处：＂在测试了许多不同的材料后，我们觉得可流动的金属浆料最能满足我们的核心需求，原因有很多。

首先，通过使用在不同温度下粘度可调节的多组分浆料，我们可以非常准确地进行打印，并在挤压后填补缝隙，同时防止厚的部分坍塌或流离位置。这也允许我们实现高的打印密度，这意味着我们可以获得具有优良的表面光洁度和高机械性能的部件。

第二，浆料简化了其他原料的处理和储存问题，保存寿命长。

第三，浆料在烧结过程中具有8－10％的低收缩率，这有助于我们满足工具制造商的精度要求。

第四，浆料还使我们的打印机能够使用更简单的机器设计：我们只需要一个喷嘴，而不是成百上千个喷嘴，这就降低了成本，简化了维护。＂

南极熊认为，高粘度金属浆料打印的低收缩率也是Mantle选择该工艺进行尝试的重要原因之一，毕竟他们声称的收缩率仅有8－10％。像其他浆料体系在脱胶和烧结过程中，零件的收缩率通常高达20％。因此，Mantle公司一定有一些特定的装载体系，既能很好的维持生坯强度又容易脱除，且不会对烧结后的形状造成大的影响。如果他们没有，就不能可靠地达到这种精度。不过看来目前他们已经解决了这个问题，或者至少最大限度地减少了降低收缩率这个问题。

笔者在想，在听到浆料材料的诸多优点后，其他人是否会考虑使用它？其实国内，也已经有一些先驱者在做相关方面的尝试，例如长沙墨科瑞团队、深圳升华三维等，并且也取得了不错的成绩。也许未来，用更廉价的材料的增材工艺来替代相当昂贵的PBF粉末床金属3D打印系统可能会越来越有吸引力。

应用领域

南极熊了解到，Mantle着眼于价值 450 亿美元的模具和工具行业， TrueShape 打印机具有三个主要优势：更快的生产时间、更低的成本以及制造可缩短成型周期的随形冷却通道的能力。