标记锻造金属打印机:烧结可以等待

为了便于讨论，让我们假设3D打印永远不会生产出最终使用的金属部件，在3D打印完成后，无需其他步骤就可以立即使用。忘记了《星际迷航》复制因子类比。对于由塑料制成的某些工具和部件，单凭3D打印就可能以这种方式生产零件。但说到金属，3D打印本身并不能完全生产出成品。

为了讨论这个问题，我们也要认识到它其实不需要。

不需要!没有金属加工过程是这样的。例如，铸造当然不会产生一个完整的零件。至少，铸件部分需要去除毛边，而且在几乎所有情况下，铸件仍然需要机加工。事实上,数控加工可能是最接近生产过程可能会完成部分本身,但即使在这种情况下,几乎全部加工完成的部分在一个错综复杂的加工周期还需要从设置中删除,这样可以加工剩余的部分。

因此，如果零件需要在3D打印之后进行二次操作，那么金属增材制造就没有固有的缺陷，因为当涉及到金属时，这是制造的方式。在3D打印之后，根据特定的方法，操作可能包括从构建板分离，移除支撑结构，加工和精加工。所有这些都是增材制造的必要组成部分，而唯一相关的问题是，这一系列步骤(3d打印以及随后的步骤)是否为制造部件提供了一种有效且经济的方法。在越来越多的应用中，答案是肯定的。

所有这些想法都很重要，因为放弃3D打印作为一个潜在的一体化过程的期望，将为我们可能考虑的金属零件生产的可行3D打印过程打开可能性。如果我们接受额外的步骤可能总是必要的，那么也许一个单一的3D打印机器不需要完成这么多的工作创建的部分。如果零件制造的一部分，甚至是关键的一部分，可以被分离并移动到一个单独的设备上会怎么样?

MarkForged公司的创始人兼首席执行官格雷格·马克说，这个问题是理解这款新型金属3D打印机的关键，因为这款机器——将于9月份发货的metal X——可以将金属烧结过程中的打印部分分离开来。我最近参观了该公司在马萨诸塞州剑桥市的办公室和生产设施，与马克谈论了这台机器。对于Metal X，用户使用一个单独的、独立的熔炉来烧结。这种改变与金属3D打印方法(如DMLS)不同，可能会让AM过程看起来不那么优雅——但先不要下结论。烧结分离的结果是大幅度降低了机器的成本。这台金属添加剂机的价格不是高达六位数的价格，而是10万美元，如果算上熔炉的成本，价格约为12万美元。目前，这台机器仍然有很大的局限性，最明显的是它可以预测使用的金属的范围有限。尽管如此，这是一个金属3D打印机的价格水平，一个设施，如小型机械车间可能负担得起。

而这种步骤改变的成本降低并不伴随着步骤数量的净增加。确实，烧结是与本机分离的，而该步骤与其他添加金属设备不分离。然而，这台机器的另一个特点，以及使这台机器成为可能的发展，是使用塑料容器——最终会蒸发的塑料——作为控制预烧结粉末的输送机制。多亏了这种塑料容器，处理粉末的安全问题就没有了。环保服不是这台机器的程序的一部分。也多亏了塑料，没有建造板。既不需要锯，也不需要电火花分开的部分，从一个板块刚刚离开机器。另外，没有退火要求。由于与安全、热处理和分离相关的步骤被消除，金属添加剂过程中的净步骤数实际上可能更小。

部分行为

MarkForged是一家于2013年开始生产和销售Mark One的公司，这是一款桌面3D打印机，可以产生弹性聚合物部件，通过控制连续纤维或碳纤维的放置来增强其强度。随后Mark One也出现了不同的版本，有高端的，也有低端的。金属3D打印机是今年发布的，尽管这台机器上的材料非常不同(金属而不是聚合物复合材料)，但这种新型号更多的是一种线延伸，而不是最初可能认识到的。它是一种类似于早期打印机的挤压沉积机(下面将详细介绍部件创建的具体机制)，它使用的许多部件与之前的打印机相同。在该公司内部，这台机器利用了该公司已经开发的与3D打印部件的行为和如何重复生产它们相关的大部分知识。

最后一点指的是3D打印过程的动态特性。肢体在成长的过程中也在运动;它们一印出来就会变形。Metal X机器能够达到足以用于工业零件生产的精度，这是其所有机器的目标，部分原因是识别这种失真，并在机器的软件中进行补偿。也就是说，打印出来的部件与用户CAD模型中的部件是不同的，因为软件的算法预计，在构建周期完成时，表单的尺寸将发生细微的变化。

马克举了一个有连续纤维的塑料零件为例，说:“看看那直的一股——我们不是那样放的。”相反，软件会执行比这更复杂的机器运动，以产生预变形的几何形状，这样最终的零件在经过它的动力学过程后，就会像零件预期的那样结束。开发这些算法需要(现在仍然需要)MarkForged团队在观察部件行为方面进行大量的试错投资。这种发展对于管理Metal X过程的软件也至关重要，因为这个过程不仅需要3D打印，还需要烧结过程。对于后一个步骤，打印的部分必须是显著的超大，因为从烧结的收缩始终是20%。

Powder-Laden塑料

同样，关于金属X机的关键细节是材料库存的形式。金属粉末包含在聚合物棒中，可以像任何3D打印机的聚合物原料一样安全地处理。MarkForged将是这个库存的供应商。打印机挤压这种金属聚合物，通过一个可识别的熔融灯丝制造(FFF)过程，3D打印部件，除了灯丝被棒取代。塑料是一种载体，它能使金属粉末在塑料熔化温度(约250℃)下打印成精确的3D形状°C)而不是金属合金的熔化温度(更接近1300℃°确实，由于这种机制，机器挤压不锈钢使用喷嘴是由完全相同的不锈钢。

马克说，正是这种机制让机器更便宜。他说:“想想典型的粉末床金属3D打印机想要做什么，想要完成多少工作。”“要在熔化和固化金属的同时制造金属，你必须达到高温，你必须控制气体环境，你必须在一个需要机械运动的机器中完成这一切。”他的公司的新机器根本不需要做所有这些，因为3D打印和受控高温烧结是分离的。(需要明确的是，这种分离本身并不是唯一的。例如，粘合剂喷射也可以将印刷与热分离。)

然而，重要的是，这个熔炉——MarkForged并不生产，而是根据应用情况推荐一个合适的——是这个过程的关键部分。在Metal X机器进行3D打印之后，得到的预制件实际上仍然是无用的。整个过程仍需继续。MarkForged为这种工艺创造了一个术语ADAM:原子扩散增材制造。在炉中，塑料汽化，汽化过程中，因为过大的部分仍然有足够的孔隙，允许塑料从金属中逃逸。然后，随着熔炉内的转变继续进行，完全的金属形式仍然收缩到它的最终形状和尺寸。在这之后，在性能、形状和密度方面，该部件相当于铸造，马克说。在没有铸造厂的情况下进行铸造是考虑这一过程的一种方式。

他补充说，事实上，这个角色甚至在外表上都能暗示出一个角色。可将零件在预压状态下的柔软度转化为用户的优势。3D打印的层线可以快速平滑，而部分是软的，只使用砂纸。

但正是烧结完成了这个部分，在某种意义上，正是在烧结过程中，奇迹发生了。MarkForged还在研究这个魔法。例如，需要什么温度?需要什么样的大气成分?还有一个问题是什么聚合物应该携带金属粉末，因为这种聚合物的蒸发将影响大气成分，因此潜在地影响金属合金。对于每一种不同的金属，所有这些问题的答案都是不同的——而且在控制不同的变量方面，有些金属比其他金属要敏感得多。(另外，这个细节最近也曝光了:在零件垫圈中准备的零件更容易烧结。MarkForged将出售一个零件垫圈作为其套件的一部分。)

因此，公司实验人员和客户测试人员仍在努力寻找烧结配方，以确保可靠的，可预测的形成一个又一个金属合金。到目前为止，他们用这种方法确定的金属合金有17-4和303种不锈钢。现在，如果用户想要在Metal X上使用经过验证的3D打印工艺，那么金属尺寸需要是17-4或303。

这只是暂时的情况。这项工作正在进行中，随着时间的推移，其他金属合金也将以这种方式掌握。在短期清单上建立一致的烧结参数的其他材料是A-2和D-2工具钢，6061和7075铝，以及Inconel 625和钛6Al-4V。在这个列表中，Mark预计Ti 6-4将是最后掌握的材料，因为这是一种高度反应和敏感的材料，几乎肯定需要更严格的控制烧结变量，比其他任何这些金属都需要。

产量

如前所述，有测试人员参与了这项研究。一家知名的大型制造公司(我知道你在想什么，但它不是通用电气)已经投入了员工和资源来探索Metal X机器作为一种潜在的部件生产方式，因为它固有的可扩展性，看到了这个系统的前景。Mark指出，可扩展性是分离打印和烧结的另一个优势。打印机可能很小，但因为它是便宜的，他们可以购买几个完整的生产。然后，可以选择熔炉来适应与任何单个打印机的规模大不相同的规模，一次烧结大量零件。这种天平的分离是不可能的，当制造部件和熔化部件都是在一个单一的盒子内。

尽管如此，Mark所预见的这台机器最有前途的应用还是不同于金属零件的生产，而实际上与塑料零件的生产有关。理解这个应用程序需要另一个放弃的时刻，类似于接受增材制造可能总是涉及多个步骤的固有放弃。他预测，有前景的长期应用是制造塑料模具。

他说:“让我们承认，我们永远不会得到一种聚合物3D打印工艺，可以与注塑成型竞争。”换句话说，让我们接受注塑成型将永远存在，因为即使非常快的3D打印仍然太慢，无法挑战它。“在高产量时，我们总是想要做模具，我们总是需要模具工具。”当然，金属3D打印已经被用于制造模具镶件。他的机器可能为这项工作提供了一个较低的入门价格，但这可能甚至不是最重要的一点。

他指出，还有一种软性状态。有可能在这个状态结束。他说:“想想有多少护理，努力和熟练的劳动力应用于模具模具。”对于一个复杂的或重要的工具，这种工作台对于给定的模具工具可以很容易地工作小时。

但现在比较的可能性，简单的砂模具工具的表面，而金属仍然是软的。目前的Metal X测试版用户已经习惯了以这种方式完成零件。马克说，有了预压模具工具，将模具插入件垫平成为一个只需10到15分钟的步骤。