新型金屬3D列印技術，不發生融化過程

如今，3D列印技術工藝不斷突破，越來越多新的技術工藝被提出，比如Xjet的納米顆粒噴射、HP的多射流熔融、Desktop Metal的單程噴射3D列印技術等，這些新技術將從根本上改變整個行業的格局。

2018年4月16日，南極熊從外媒獲悉，位於美國弗吉尼亞州的一家創業公司最近率先推出了一種全新的3D列印技術（MELD技術），這種技術有可能徹底改變金屬增材製造領域。 MELD製造公司是成熟的科技公司Aeroprobe的子公司，以其開創性3D列印技術而命名。 獲得專利的MELD技術是第一個可以生產金屬部件而不發生熔化過程的增材製造工藝。 其過程使用摩擦和壓力，這在易用性和最終構建質量方面具有許多優點。

MELD 3D列印技術已經發展了10多年，以金屬粉末和棒材作為基材。利用自動控制的機器人手臂，通過數字3D模型進行編程，這方面與其他3D列印技術一樣。與使用高功率激光束熔化金屬的其他金屬AM技術不同，該設備採用極壓和摩擦的組合來使金屬足夠熱以變形成所需的形狀，但不足以使其完全熔化。這與用於製造塑料部件的FDM 3D列印工藝類似。

由於SLS和SLM 3D列印技術都存在熔化的過程，因此現有金屬AM工藝生產出的部件具有各種缺陷和故障。內部孔隙，各向異性，缺乏熔合缺陷和其他問題導致零件不完美，強度和韌性之間的不利折衷是許多金屬3D列印製造商必須面對的事情。

根據MELD的增材製造經理Chase Cox的說法，「當你融化時，你會引入缺陷和其他問題。通過將材料加工到可塑性但不熔化的程度，我們的材料將達到或超過類似的工藝，在某些情況下甚至可達到原材料的性能。「

MELD 3D列印過程的另一個好處是它更易於使用和設計，該技術使用開放式的工作環境，不需要像其他金屬3D印表機那樣的真空室。真空室的存在會限制金屬AM生產製造部件的尺寸，並增加成本。另外，對於許多製造商而言，高功率激光器的價格也非常昂貴，而基於激光的金屬AM工藝可能比其他方法慢得多。 MELD將擴大設計可能性，並降低進入金屬3D列印的障礙。

如今，MELD製造公司開始銷售MELD金屬3D印表機的第一款型號B8。 它也正在接受大型項目定製機器的訂單，並提供銷售製造零件。 阿拉巴馬大學是該公司的第一批客戶之一，早在一月份就收到了一台MELD 3D印表機，以幫助其研究將軍事設備回收利用成可用部件。

「第一次看到MELD技術時，我非常興奮，」阿拉巴馬大學助理教授Paul Allison說。 「MELD在製造技術方面取得了突破性進展，並且仍然很明顯，它克服了工藝的技術障礙。 這就是為什麼我渴望購買MELD機器並與MELD團隊合作開創這項技術研究的原因。「

SLM 金屬3D列印，很多人都很了解了，是通過激光融化金屬粉末的。Desktop Metal其實也經歷了融化過程。

Desktop Metal技術揭秘

看圖說話：

▲圖1 Desktop Metal 美國專利插圖（來源Desktop Metal）

圖1所示設備是一個桌面級別的金屬列印設備，包括計算機控制系統182，外殼112（內部有所需的保護氣氛，如真空、惰性氣體、除氧劑等），機械運動系統，成形平台和金屬堆積系統120。當金屬液滴在滴下時，機械控制系統按照一定的路徑移動從而堆積形成三維金屬件。對於設備的機械運動、控制等通用技術，這裡一併略過。

該技術的創新之處在於，採用靜電力來控制金屬液滴從噴嘴中滴出。如下圖2所示，金屬線材會被送入電感式加熱管（或者電阻式加熱管），然後熔化成為液態，接著在噴嘴口240處形成液滴，最後在壓力等因素作用下滴到平台上。液滴的表面張力等參數可以通過磁場（230）、靜電場（120，圖1）或者二者的組合來控制。

▲圖2 Desktop Metal的感應加熱及液滴噴射系統（來源Desktop Metal）

如圖3（FIG.3）所示，該技術同FDM一樣也能支持多種線材。其中一些管道也可以是表面張力改性劑或者保護氣體等，每個線材可以有獨立的儲料管道，也可以按照一定比例混合在一起。圖4（FIG.4）則展示了該堆積系統可以有多個噴嘴，並且實現對單個噴嘴噴射液滴的獨立控制。

▲圖3 Fig3.絲材供料系統 Fig4. 多噴嘴系統 （來源：Desktop Metal）

專利中提到了噴射的液滴最小約400pL，可以連續變化到1nL。簡單計算下來，最小的液滴半徑約為50微米，精度應該可以比擬市面上的FDM設備。對於成形速度，專利並未提到。但對於桌面級別的設備，速度倒也不用太考慮。

小結：

Desktop Metal推出了金屬領域與FDM對標的一款設備。這款設備在所需要的保護氣氛下，以金屬絲材為原材料，通過電感等方式熔化絲材，並在靜電力/磁場等作用下控制噴嘴出液滴的表面張力，在壓力等作用下將金屬液滴沉積在成形平台上；成形過程中會控制平台、噴射系統的溫度，並對形成的缺陷進行監控並予以修復。

對於這個技術可能存在的優劣勢，靖哥下面點評一二：

優勢：

·金屬3D印表機成本一定程度降低；

·列印耗材的成本一定程度降低；

·對於工作環境的要求會大幅度的降低。

可能存在的技術挑戰：

·以桌面級別設備的真空或者保護氣氛，僅能加工少量不活潑金屬；

·成形過程存在極大的熱應力，成形尺寸較小（參照MatterFab公司靖哥3D列印 | 第55期 金屬3D列印帝國的崛起與紛爭），難以加工高熔點金屬；

·非連續液滴的噴射速度，造成成形速度較慢；

·一旦出現噴口堵塞問題，清理會比較困難。

·技術在創業中顧然重要，但從來都不是成功因素的全部。

可能存在的市場挑戰：

·複合材料的3D列印性能在不斷地提升，部分性能可以與鋁合金等媲美；

·採用激光技術的金屬印表機現在也在向小型、低成本的方向轉變並已經出現了一些成果，比如在Formnext2016上就出現了2萬美金的選擇性激光熔融（SLM）機型。相比之下，Desktop Metal有諸多反饋器件，還需要進行大量的實時計算，成本或許並不會佔優；

·另一種常見方法 — 光固化材料，然後通過失蠟法進行鑄造，造出的零件可能具有更高的精度和更低的成本。

總結

Desktop Metal擁有著全明星陣容的創業團隊的技術背景；有著雄厚的財團支持；面臨著看似簡單，但卻並不容易解決的技術困難；面對這看似無一競爭者，卻處處不是競爭者的市場環境。部分來源靖哥3D列印

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