什么是冷金屬融合(Cold Metal Fusion)3D打印?

導讀：冷金屬融合 (CMF) 是一種新型金屬3D打印技術，將現有金屬制造工藝與選擇性激光燒結 (SLS) 相結合。簡單來說是將一種新材料集成到機械系統中，使制造商能夠使用相同的設備做更多的事情。那么什么是金屬融合技術？它有什么優(yōu)勢？目前主要的設備供應商有哪些呢？


△自行車零件初創(chuàng)公司 Titanum 和制造商 Element22 合作，在 EOS SLS 3D 打印機上使用 Cold Metal Fusion 技術創(chuàng)建了這些 MyTi 踏板

這項技術由Headmade Materials發(fā)明并于 2021 年推出， Cold Metal Fusion的材料核心為一種金屬原料，金屬顆粒上覆蓋著一層薄薄的聚合物，在 SLS 3D 打印過程中將它們粘合在一起。這種材料旨在無縫融入任何可用 SLS 機器的日常操作（只有少數機器獲得“批準”，下文會詳細介紹），因為SLS 打印機的起價比大多數金屬 3D 打印機都要低。

現在不再僅使用尼龍等聚合物，而是使用不銹鋼（316L、17-4PH）、鈦和工具鋼等金屬。自推出以來，CMF 為 Tom Sturdy 的 Fiadh 鈦合金公路自行車的每位騎手提供了量身定制的重量優(yōu)化鈦部件，并為學生方程式賽車“Stallardo 21”提供了改進的低重量高容量部件。

冷金屬融合 3D 打印


△冷金屬融合需要幾個步驟，其中許多步驟與金屬注射成型相同

簡而言之，冷金屬融合之所以有效，是因為 SLS 打印機使用上述專利金屬原料，就像他們長期以來使用聚合物粉末來制造零件一樣。目前，聚合物涂層金屬原料僅由 Headmade Materials 提供。SLS 技術使用典型的聚合物材料，利用激光通過熱量和壓力將粉末塑料粘合在一起，逐層形成 3D 形狀。這是通過用一個或多個激光器（類型包括二極管、CO 2或光纖，功率范圍從 10 瓦到 60 瓦到 100 瓦）選擇性地燒結聚合物顆粒來完成的。


△盡管冷金屬融合是從數字設計到最終金屬零件的多步驟過程，但能夠成為批量零件的生產方法

在 SLS 機器內部的 CMF 流程中，SLS 機器必須具有開放參數或預安裝的材料配置文件，以根據金屬原料的要求調整溫度和其他設置。CMF 的溫度比用于打印的任何 SLS 機器低得多（低于 80°C），因此 Cold Metal Fusion 中使用了的“cold”一詞。金屬在此過程中并未熔化，而只是聚合物。

在每個部分之后，一層新的原料被鋪展在構建層上，激光燒結它，并且該過程一次又一次地重復直到完成，不需要支撐結構。結果是由填充有金屬粉末的塑料制成的素坯零件，這意味著粉末冶金中的任何金屬都可以使用，并且零件成本大大降低。

完成后，需要對部件進行清潔和除粉，發(fā)明人表示，該素坯部件具有高強度和穩(wěn)定性，可以通過水壓或氣壓實現自動化。生坯部件的耐用性進一步使得在金屬燒結之前能夠進行機械車削、銑削、鉆孔和磨削。由于整個過程的低溫，所有未使用的剩余金屬原料都可以在下次重復使用。從這里開始，就像在金屬注射成型 (MIM) 工藝中一樣，零件經過化學脫脂，從零件中去除大部分聚合物，留下脫脂后的零件，準備在最后階段的燒結爐中生產完整的金屬零件。最終的部分比最初打印的部分小。

所有使用聚合物粘合劑和金屬（金屬絲 3D 打印、金屬粘合劑噴射）制成的 3D 打印零件在聚合物被移除且零件被燒結后都會收縮。Headmade Materials 表示可以實現零件收縮均勻的目標，無論零件尺寸、形狀或復雜程度如何，收縮率都是一致的。鋼的收縮率為 15%，鈦的收縮率為 12%。沒有特殊的軟件或計算。該公司表示，只需在 CAD 程序中將鋼制零件放大 15%，最終零件就會完全符合規(guī)格。

冷金屬融合材料與設備


△Headmade Materials 的金屬和聚合物原料有不銹鋼 316L 和 17-4PH、工具鋼 M2、鈦 Ti6Al4V 和 CP-Ti 1 級以及鎢

目前有一些材料可用于冷金屬熔合工藝，包括不銹鋼 316L、不銹鋼 17-4PH、工具鋼 M2、鈦 Ti6Al4V、鈦 CP-Ti（1 級）和鎢，另一種工具鋼 H13、Inconel 625 和鋁 6061 目前正在開發(fā)中。


△Headmade Materials 的金屬和聚合物原料

Headmade Materials 原料的價格并未公開，但該公司表示，該價格與粘合劑噴射工藝中使用的金屬粉末的價格相當。在粘合劑噴射中，還有專有的粘合劑作為消耗品，但對于 Headmade Materials，原料是一種一體化材料。


△Cold Metal Fusion 需要的不僅僅是 SLS 3D 打印機。您需要脫脂設備和熔爐

該工藝需要一臺SLS打印機、一個脫脂站（帶溶劑）和一個燒結爐（MIM型）。嚴格來說，脫脂和燒結步驟可以外包，因為這些額外的設備價格昂貴，而且這些步驟確實需要一定的專業(yè)知識。雖然從理論上講，任何開放式SLS機器都可以處理 Headmade Materials 的原料，但需要進行一些調整和測試，而每個品牌的 SLS 機器都有所不同。

迄今為止，四家 SLS 機器制造商已與 Headmade Materials 合作進行開發(fā)：

●EOS
●Nexa3D
●Sintratec
●華曙高科

預計會有更多 3D 打印機制造商加入，其中還包括精選的后處理機器制造商。這個 CMF 俱樂部被稱為冷金屬融合聯盟。設備和軟件制造商聯盟合作提供捆綁產品，幫助用戶在還沒有設備的情況下開始使用 CMF，他們將自己的產品打包成兩個捆綁包：CMF LabSystem 和 CMF JobShop。

CMF LabSystem 是測試和小批量生產的基本選項，包括以下內容：

●Sintratec S2 SLS 3D 打印機和材料處理站，用于除粉和真空清潔解決方案。

●Lomi 30 升脫脂站具有集成的溶劑脫脂和溶劑回收站。

●Carbolite 8 升管式燒結爐，配備針對 CMF 優(yōu)化的自動管式燒結爐、觸摸屏控制和 1,300°C 的最高工作溫度。

CMF JobShop 捆綁包專為那些有興趣開發(fā)自己的生產線的人而設計，包括以下內容：

●華曙高科帶除粉站的 SLS 打印機

●Lomi 50 升自動排膠站

●Carbolite 25 升間歇式燒結爐，具有精確的氣氛控制、1,600°C 的最高工作溫度和水冷爐壁。

更多捆綁包和選項正在開發(fā)中。或者，可以根據所需的零件或業(yè)務需求來設計和創(chuàng)建定制的生產解決方案。

誰在使用冷金屬融合？


△采用 Cold Metal Fusion 技術為 SturdyCycles 打印的鈦自行車曲柄

對 CMF 感興趣的公司和制造商可能正在尋找一種更經濟的粘合劑噴射替代方案，用于小批量的金屬部件，或者希望利用現有的 SLS 硬件投資擴展到金屬部件。但 CMF 對金屬注射成型公司尤其有吸引力，這些公司已經擁有金屬除膠和燒結方面的專業(yè)知識，并且現在可以為其產品添加更快、更便宜、更靈活的制造方法。接下來讓我們看一下誰在使用此工藝，將這項令人興奮的新技術用于最終用途零件。

得益于 CMF，去年定制公路自行車制造商 Sturdy Cycles 宣布將其鈦合金零件生產轉為 3D 打印。據報道，該公司董事 Tom Sturdy 是一家富有創(chuàng)新精神、熱愛技術的自行車車架制造商，他被 CMF 準備工作減少所帶來的效率所吸引。用于Sturdy Cycles 高速、輕型、運動型公路自行車 The Fiadh 的多個組件由鈦合金零件專家 Element22 與 CMF 發(fā)明者 Headmade Materials 合作生產，包括車座、車把、中軸、曲柄組和后下叉。由于這些高性能自行車的獨特性質（和成本），尺寸是根據每位騎手量身定制的。憑借 CMF 技術的穩(wěn)定性和由此產生的可重復性，現在可以更經濟地大規(guī)模實現這一目標。


△這種鈦制油氣分離器采用冷金屬融合技術制成，重量輕，負載能力高

為了更多地使用該技術，在國際學生方程式比賽中，代表德國埃斯林根應用科學大學的團隊獲得了采用 CMF 技術生產的油氣分離器，這是 Headmade Materials 贊助的一部分。預計將提高 Stallardo 21 賽車最大性能的是由鈦合金 Ti6Al4V 制成的重量優(yōu)化的高負載能力部件。未來，公司預計該技術的應用通常會登陸高端消費品市場，包括奢侈品行業(yè)、汽車，以及航空航天、醫(yī)療和精密機械領域的高科技材料。


△德國工具制造商 Utilis 使用 Cold Metal Fusion 打造了一種新型切削工具，其內部冷卻通道可提高效率

另一家轉向 CMF 的公司是德國模具公司 Utilis AG。它與 CMF 零件制造商 MIMplus 和 Headmade Materials 合作，共同開發(fā)了 M2 工具鋼切削刀柄，該刀柄具有獨特的內部冷卻液通道，可將切削刀具性能提高近 185%。得益于新的集成冷卻系統，Utilis 的客戶現在有機會將其切削刃的使用壽命延長一倍或提高其切削價值，而無需經歷更高的磨損。由于冷卻通道的直徑極小，需要在不破壞生坯部件的情況下清除粉末，因此集成冷卻系統只能通過 3D 打印實現。

金屬零件特性


△2023年9月，制造聚合物3D打印機的Nexa3D進軍金屬3D打印市場。他們沒有推出新機器，而是推出了 Headmade Materials 的新材料，可以在選擇性激光燒結 3D 打印機上生產金屬零件

根據冷金屬融合聯盟白皮書，冷金屬融合金屬部件的特性完全可與金屬注射成型相媲美。下圖由冷金屬熔合聯盟提供，顯示了不銹鋼 316L 和鈦 Ti6Al4V 零件的屈服強度、拉伸強度和總伸長率的零件特性的歸一化或標準化值。在 EOS Fromiga P110 SLS 3D 打印機上使用 ColdMetalFusion 生產的金屬零件超出了這些標準。


△使用 Cold Metal Fusion 采用 Headmade Materials 不銹鋼和鈦原料制成的零件的屈服強度、極限拉伸強度和總伸長率超過了金屬注塑零件的標準

當談到零件密度時，冷金屬融合聯盟表示，結果取決于材料、打印和燒結工藝，但不銹鋼 316L 的密度通常優(yōu)于 97%，液相合金的密度高達 100%。通過優(yōu)化每個金屬部件的工藝步驟，可重復密度可以達到 99%。

通過優(yōu)化的工藝參數，尺寸精度約為 ±100 微米或更高。其表面質量可與其他 3D 打印零件（例如金屬粉末床熔合或金屬粘合劑噴射）相媲美。如果需要更好的表面質量，可以在燒結前對生坯部件或在燒結后對金屬部件進行額外的后處理。零件還可以進行機械加工和拋光以滿足光潔度要求。

使用冷金屬熔合生產的金屬部件的硬度等特性與基礎合金的特性相對應。根據冷金屬融合聯盟材料的說法，這也意味著其他 3D 打印技術通常用于減少內部零件應力或達到特定硬度的熱處理或交聯是不必要的。金屬部件的硬度由底層合金和燒結工藝決定，而不是由 3D 打印工藝決定。目前，無需后處理步驟即可實現高達 60 HRC 的硬度。

熱等靜壓 (HIP) 也可用于 Cold Metal Fusion 生產的金屬零件，以改善金屬零件的密度和晶粒結構，但聯盟建議優(yōu)化零件設計和參數，以避免這種額外的后處理步驟。