取材自all3dp.com的文章Metal 3D Printer 101: Technologies & Applications

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在傳統的製造中,生產金屬及塑膠物件算是一個浪費的過程,其中使用太多的厚實零件及多餘的材料。飛機製造商在生產金屬零件時,有高達90%的材料會被削除,而3D列印的金屬零件使用較少能量且廢棄物也降至最低。3D列印零件的重量比機械車工零件的重量最高可以輕上60%,這種重量的減輕光航空業每年就可以節省數十億的燃料費。

一、消費端金屬3D列印

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如果你想要在家裡用3D印表機列印金屬,首先要知道的是,金屬3D列印需要相當高的溫度,所以不能用一般的FDM 3D印表機。未來10年你也許仍然無法在家裡3D列印純金屬,甚至在2020年前你也不會看到精緻的3D金屬印表機貯立在你的家裡。但近年來,隨著奈米科技的發展,新的應用如雨後春筍般的出現,將不同的材料(例如塑膠及金屬)混合至同一物件也變為可能。

家庭3D金屬印表機使用的材料

即使你無法在家3D列印金屬物件,你仍然可以轉而求助添加金屬粉末的塑膠線材。ColorFabbProtoPastaTreeD Filaments3家公司都有提供複合金屬-PLA線材,這些線材因為含有足夠量的塑膠,所以可以用一般的3D印表機在較低的溫度(200-300℃)下列印,另外,因為它亦含有足夠的金屬粉末,所以印物看起來、摸起來及掂起來都像金屬物件。

金屬3D列印線材(metal 3D printing filaments)通常含有50%的金屬粉末,荷蘭一家3D線材公司Formfutura宣稱其產品含有高達85%的金屬粉末及15%PLA,這種金屬複合線材稱為MetalFil Ancient BronzeMetalfil Classic Copper,它們甚至可以在190-200℃的中溫下列印。

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家庭用金屬3D列印線材具有以下特性:

獨特的金屬加工及外觀
適合製作珠寶、雕像、家用五金或工藝複製品
耐久性高
可撓性低,視結構設計而定
不溶解
不宜接觸食物
一般列印溫度範圍為195-220
冷卻時不太收縮
不需要加熱床
列印困難度高,需要微調噴嘴溫度、流率及後加工

準備你的3D印表機以因應金屬3D列印

因為3D列印的金屬線材會快速磨損噴嘴,所以3D印表機的噴嘴需要升級。你要選用本身由金屬製成、能耐受高溫且能裝設在大部分3D印表機上的熱端,例如E3DV6型。也要有心理準備,你會更常更換噴嘴,畢竟金屬線材的磨耗能力真的很強。另外,你可能也需要適當的加工程序,例如刷拭、噴砂、上油或塗裝等,讓印物看起來更光亮。

二、工業級3D金屬列印

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如果你想要更佳的結果,甚至是全金屬印物,是否該買台金屬3D印表機呢?如果你不是每天都在3D列印金屬,建議先不要買。EOSStratasys3D金屬印表機要價美金100,000-500,000元,並不便宜,除此之外,還要算上僱人操作、機器維護及印物拋光等成本。簡言之,在2016年還看不到便宜的3D金屬印表機。

如何降低3D金屬列印的成本

除非你想要開展3D金屬列印事業,並且需要金屬3D列印的專業級零件,不然最好求助3D代印業者,例如ShapewaysSculpteoiMaterialise都有提供直接3D列印的金屬零件,包括以下材質:

黃銅

青銅

英幣標準銀

如果你是金匠,也可以訂購澆鑄特殊金屬的蠟模。

說到蠟模,它可以經由脫蠟鑄造法提供3D列印金屬(包括金及銀)。這些代印業者不是每樣東西都在其工廠列印,他們也會轉包給專精金屬3D列印的其他業者。金屬3D列印業正在全球蓬勃發展,而金屬3D印表機也成為這些代印業者必備的工具。

大型公司之所以這麼喜歡金屬3D列印,是因為它可以用來建立全自動化的工廠,也就是說現在可以完美分配組件中的材料,讓只有需要耐受較大應力的部分印的較厚,因而可以在不犧牲結構完整性的前提下,大大減輕組件的重量。但這並不是可以達成此需求的唯一科技,許多其他的科技相對來說更為便宜,甚至一般的消費者都負擔的起。

三、應用面

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許多工業早已使用3D金屬印表機來列印日常物件,一般人甚至不知道那是3D列印的產品。

最常見的是醫療及牙科植入物,它們的價值在於可依據病患的個別需求來製作。

再來是珠寶,大部分的製造商正從原來的樹脂3D列印或脫蠟鑄造法轉換至直接金屬列印。

航太工業越來越倚賴3D列印的金屬物件,義大利的Ge-AvioAero是全世界第一家全3D列印的工廠,並為LEAP噴射引擎製造組件。

另一個使用3D金屬印表機的產業是汽車業,BMWAudiFCA使用3D列印技術製作原型已行之經年,並考慮擴及至實際零件的製造。

3D金屬列印真正起飛之前,仍有一些障礙需要克服,主要的問題仍是價格太高及速度太慢。

四、技術面

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3D金屬印表機有許多值得討論的地方,但是最主要的議題還是和一般3D印表機一樣,即軟體及硬體的限制、材料的最適化、多材料可用性。有關軟體部分,像AutodeskSolidWorkssolidThinking等公司都在努力研發如何讓3D金屬列印產出各種形狀的物件。

一般而言,3D列印的金屬零件可以和傳統製造的零件一樣強固,例如以DMLS 製得的零件,其機械強度和鑄造的金屬零件相當,另外,以質優的3D金屬印表機製得的物件,其孔隙度可達99.5%密度。製造商Stratasys 宣稱3D列印的金屬物件在密度測試方面超越工業標準。3D列印的金屬物件可有多種解析度,最高解析度在Z軸為0.0008”0.0012” X/Y軸為0.012”0.016”,最低孔徑為0.035”0.045”

以下介紹幾種3D金屬列印技術:

粉末床融合法(powder bed fusion)

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目前大多數公司考慮的3D金屬列印技術是所謂的粉末床融合法,也就是利用能量(雷射或其他能量束)將霧化粉末(完美圓度、細小的球形顆粒)融合,以建立物件的薄層。

全世界大約已有8家主要的3D金屬印表機製造商使用此種技術,並且不斷的有新進者加入,他們大部分位於德國,其技術通常稱為選擇性雷射熔融 (selective laser melting, SLM)或者直接金屬雷射燒結 (direct metal laser sintering, DMLS)

黏合劑噴射法(binder jetting)

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另一種使用粉末床的專業技術稱為黏合劑噴射法,這種技術是先將金屬顆粒膠合成層,然後在高溫窯中燒結成型,這和陶瓷的製法類似。
另一種也和陶瓷工藝類似的技術是將金屬粉末混合成金屬漿,並以蠕動壓出(pneumatic extrusion)3D印表機形成3D物件,再於高溫窯中燒結,例如Mini Metal Maker就是使用此種技術。

金屬澱積法(metal deposition)

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大致分為以下兩種:

導能澱積法(directed energy deposition, DED)或雷射覆層法(laser cladding)

也就是用工業機械手臂以雷射光融合金屬粉末,一層一層的形成物件。其通常是在密閉室中進行,但最近有一項MX3D計畫,是以類似的技術來3D列印實際尺寸的橋樑。

電子束疊加製造法 (Electron Beam Additive Manufacturing, EBAM)

這是一種銲接方法,也就是利用極高能量的電子束將3 mm鈦線熔融,再將金屬熔漿型塑成巨大金屬結構的方法,除非你替美國國防部工作,不然不太會有機會接觸到此一技術。

五、材料面

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純鈦(Ti64 or TiAl4V是最常使用於3D列印的金屬之一,因為其強固且質輕,所以用途極為廣泛。它可用於粉末床融合法及黏合劑噴射法,且主要的應用領域是醫療業(製造個人化的人造器官)、航太業/汽車業/工具業(製造零件及雛型)。唯一的缺點是反應性太強,因此當其呈現粉末狀態時極易引起爆炸,這也是為什麼它需要在真空或氬氣壓下3D列印。

不銹鋼

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不銹鋼是最便宜的3D列印金屬之一,因為其極為強固,可作為工業、藝術或設計等用途。含有鈷及鎳的鋼合金因為極硬且不易斷裂,同時又有很高的彈性,所以幾乎都作為工業用途。

英高鎳(inconel)

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英高鎳是一家名為Special Metals Corporation的公司所生產的超合金,主要由鎳及鉻組成,具有耐高溫性,大部分用於鑽油業、化工業及航太業(例如製造飛機的黑盒子)。

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鋁因為質輕且應用廣泛,所以是3D列印極為常用的金屬,多以鋁基合金的狀態使用。

鈷鉻合金( Cobalt Chrome)

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此種金屬合金具有非常高的比強度(強度除以密度,其基本上表示斷裂時單位面積所需的力),這種材料最常用於製造渦輪機、牙科植入物及骨科植入物,這些都是3D列印蓬勃發展的領域。

銅及青銅

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銅及青銅多用於脫蠟鑄造法,鮮少用於粉末床融合法,這是因為它們不適於工業應用,而較適合作為藝術及工藝用途,colorFabb有以這兩種金屬為基底的特殊金屬線材。

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鐵(甚至磁鐵)也經常和PLA形成可以3D列印的複合線材,ProtoPastaTreeD都有這樣的產品。

金、銀及其他貴金屬

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大部分的粉末床融合技術都可以使用金、銀及鉑等貴金屬做3D列印,除了維持材料的美感之外,貴金屬粉末的管理是另一項挑戰。貴金屬3D列印的應用領域包括珠寶業、醫療業及電子業。

六、3D金屬印表機

3D金屬印表機的價格並不便宜,要價大約100,000 - 250,000美金,以下介紹幾款印表機,有些你也許曾在3D代印店看過。

Sciaky EBAM 300- 金屬線材印表機

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如果你想要3D列印極大型金屬結構,最好的選擇應該是Sciaky’s EBAM technology它主要用於美國航空及國防工業。EBAM 300Sciaky最大的機型,建造室尺寸為5791 mmx 1219 mmx 1219 mm高。該公司宣稱EBAM 300是速度最快的工業級3D印表機之一,它可以約每小時15磅金屬的速率在48小時內製得10呎長的鈦航空器結構。一般而言,如果鍛造需要6-12月來完成,使用此印表機大約只需要2天。Sciaky的獨特技術使用高能電子槍來熔解3 mm厚的鈦線材,其標準澱積速率為每小時7-20磅。

Fabrisonic UAM 超音波3D金屬印表機

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另一個可以3D列印大型金屬零件的方法是Fabrisonic超音波疊加製造技術(UAM),此機器是三軸CNC研磨機,並增加熔接頭以進行疊加製造。金屬先經過切割,再以超音波熔接。Fabrisonic最大的3D印表機是7200型,建造尺寸為2 x 2 x 1.5 米。

Concept Laser XLine 1000-粉末金屬3D印表機

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Concept LaserXLine 1000目前市面上最大的粉末金屬3D印表機,建造體積為630 x 400 x 500 cm,足足有一間平房大。Concept Laser是航空巨擘Airbus3D印表機主要供應商之一,最近又推出更大的XLine 2000,其建造體積為800 x 400 x 500 cm,可以列印鋼、鋁、鎳、鈦、貴金屬的合金,甚至一些純金屬,例如鈦及高純度鋼。

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