新型金属3D打印技术，不发生融化过程

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如今，3D打印技术工艺不断突破，越来越多新的技术工艺被提出，比如Xjet的纳米颗粒喷射、HP的多射流熔融、Desktop Metal的单程喷射3D打印技术等，这些新技术将从根本上改变整个行业的格局。

2018年4月16日，南极熊从外媒获悉，位于美国弗吉尼亚州的一家创业公司最近率先推出了一种全新的3D打印技术（MELD技术），这种技术有可能彻底改变金属增材制造领域。 MELD制造公司是成熟的科技公司Aeroprobe的子公司，以其开创性3D打印技术而命名。 获得专利的MELD技术是第一个可以生产金属部件而不发生熔化过程的增材制造工艺。 其过程使用摩擦和压力，这在易用性和最终构建质量方面具有许多优点。



MELD 3D打印技术已经发展了10多年，以金属粉末和棒材作为基材。利用自动控制的机器人手臂，通过数字3D模型进行编程，这方面与其他3D打印技术一样。与使用高功率激光束熔化金属的其他金属AM技术不同，该设备采用极压和摩擦的组合来使金属足够热以变形成所需的形状，但不足以使其完全熔化。这与用于制造塑料部件的FDM 3D打印工艺类似。

由于SLS和SLM 3D打印技术都存在熔化的过程，因此现有金属AM工艺生产出的部件具有各种缺陷和故障。内部孔隙，各向异性，缺乏熔合缺陷和其他问题导致零件不完美，强度和韧性之间的不利折衷是许多金属3D打印制造商必须面对的事情。



根据MELD的增材制造经理Chase Cox的说法，“当你融化时，你会引入缺陷和其他问题。通过将材料加工到可塑性但不熔化的程度，我们的材料将达到或超过类似的工艺，在某些情况下甚至可达到原材料的性能。“

MELD 3D打印过程的另一个好处是它更易于使用和设计，该技术使用开放式的工作环境，不需要像其他金属3D打印机那样的真空室。真空室的存在会限制金属AM生产制造部件的尺寸，并增加成本。另外，对于许多制造商而言，高功率激光器的价格也非常昂贵，而基于激光的金属AM工艺可能比其他方法慢得多。 MELD将扩大设计可能性，并降低进入金属3D打印的障碍。



如今，MELD制造公司开始销售MELD金属3D打印机的第一款型号B8。 它也正在接受大型项目定制机器的订单，并提供销售制造零件。 阿拉巴马大学是该公司的第一批客户之一，早在一月份就收到了一台MELD 3D打印机，以帮助其研究将军事设备回收利用成可用部件。



“第一次看到MELD技术时，我非常兴奋，”阿拉巴马大学助理教授Paul Allison说。 “MELD在制造技术方面取得了突破性进展，并且仍然很明显，它克服了工艺的技术障碍。 这就是为什么我渴望购买MELD机器并与MELD团队合作开创这项技术研究的原因。“

SLM 金属3D打印，很多人都很了解了，是通过激光融化金属粉末的。Desktop Metal其实也经历了融化过程。

Desktop Metal技术揭秘

看图说话：



▲图1 Desktop Metal 美国专利插图（来源Desktop Metal）

图1所示设备是一个桌面级别的金属打印设备，包括计算机控制系统182，外壳112（内部有所需的保护气氛，如真空、惰性气体、除氧剂等），机械运动系统，成形平台和金属堆积系统120。当金属液滴在滴下时，机械控制系统按照一定的路径移动从而堆积形成三维金属件。对于设备的机械运动、控制等通用技术，这里一并略过。

该技术的创新之处在于，采用静电力来控制金属液滴从喷嘴中滴出。如下图2所示，金属线材会被送入电感式加热管（或者电阻式加热管），然后熔化成为液态，接着在喷嘴口240处形成液滴，最后在压力等因素作用下滴到平台上。液滴的表面张力等参数可以通过磁场（230）、静电场（120，图1）或者二者的组合来控制。



▲图2 Desktop Metal的感应加热及液滴喷射系统（来源Desktop Metal）

如图3（FIG.3）所示，该技术同FDM一样也能支持多种线材。其中一些管道也可以是表面张力改性剂或者保护气体等，每个线材可以有独立的储料管道，也可以按照一定比例混合在一起。图4（FIG.4）则展示了该堆积系统可以有多个喷嘴，并且实现对单个喷嘴喷射液滴的独立控制。



▲图3 Fig3.丝材供料系统 Fig4. 多喷嘴系统 （来源：Desktop Metal）

专利中提到了喷射的液滴最小约400pL，可以连续变化到1nL。简单计算下来，最小的液滴半径约为50微米，精度应该可以比拟市面上的FDM设备。对于成形速度，专利并未提到。但对于桌面级别的设备，速度倒也不用太考虑。

小结：
Desktop Metal推出了金属领域与FDM对标的一款设备。这款设备在所需要的保护气氛下，以金属丝材为原材料，通过电感等方式熔化丝材，并在静电力/磁场等作用下控制喷嘴出液滴的表面张力，在压力等作用下将金属液滴沉积在成形平台上；成形过程中会控制平台、喷射系统的温度，并对形成的缺陷进行监控并予以修复。

对于这个技术可能存在的优劣势，靖哥下面点评一二：

优势：
· 金属3D打印机成本一定程度降低；
· 打印耗材的成本一定程度降低；
· 对于工作环境的要求会大幅度的降低。

可能存在的技术挑战：
· 以桌面级别设备的真空或者保护气氛，仅能加工少量不活泼金属；
· 成形过程存在极大的热应力，成形尺寸较小（参照MatterFab公司靖哥3D打印 | 第55期 金属3D打印帝国的崛起与纷争），难以加工高熔点金属；
· 非连续液滴的喷射速度，造成成形速度较慢；
· 一旦出现喷口堵塞问题，清理会比较困难。
· 技术在创业中顾然重要，但从来都不是成功因素的全部。

可能存在的市场挑战：
· 复合材料的3D打印性能在不断地提升，部分性能可以与铝合金等媲美；
· 采用激光技术的金属打印机现在也在向小型、低成本的方向转变并已经出现了一些成果，比如在Formnext2016上就出现了2万美金的选择性激光熔融（SLM）机型。相比之下，Desktop Metal有诸多反馈器件，还需要进行大量的实时计算，成本或许并不会占优；
· 另一种常见方法 — 光固化材料，然后通过失蜡法进行铸造，造出的零件可能具有更高的精度和更低的成本。

总结
Desktop Metal拥有着全明星阵容的创业团队的技术背景；有着雄厚的财团支持；面临着看似简单，但却并不容易解决的技术困难；面对这看似无一竞争者，却处处不是竞争者的市场环境。部分来源 靖哥3D打印

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