Markforged一种截然不同的金属增材制造方法

今年元月， Markfoged公司推出一种名为的原子扩散增材制造（ADAM）的新工艺和Metal X系统。Markfoged总部坐落于美国马萨诸塞州的剑桥，因2014年推出自家研发的复合3D打印技术而广为人知。本文详述了“间接”金属增材制造系统并概述了此系统在商业生产中的优缺点。

过去几年，金属增材制造备受关注，有些人甚至认为是最近才发展起来的。但实际上早在20多年前，市场上就可买到金属增材制造系统了。最早的商用金属增材制造系统通常被称为“间接”金属增材制造，因为这种系统并不是采用单一材料通过直接工艺生产零件的，而是用金属粉末与高分子聚合物之类的粘结剂混合制成“坯件”。这些坯件经过热后处理去除粘结剂，从而产生约40%的孔隙。在加热阶段，烧结过程会融合金属颗粒。同时，像青铜这类低熔点金属会渗透填满大部分孔隙。

D T M 的 粉 末 床 熔 融 工 艺（Powder Bed Fusion process）, 俗称选择性激光烧结（SLS） 就是这样的系统。

一种使用特定金属的SLS工艺名为RapidTool，它所用的是高分子聚合物涂层钢颗粒组成的RapidSteel 粉末。采用激光熔融材料制成坯件后再进行烧结，制成的零件含60%钢与40%青铜。图1所示为RapidTool工艺制成的零件。

生产致密金属零件

采用粉末床熔融与其它增材制造工艺来制造出来的致密金属零件比RapidTool这类工艺制造的更有优势。整个过程更为简易，无需去除粘结剂，烧结或渗透。所用的大功率激光器或电子束制成的零件密度通常可达99%甚至更高，且其性能通常优于普通铸件或与锻造材料性能相似。而可用的合金类别也持续地增加，包括许多最常用于的航空航天，医药，牙科和其它应用领域的合金。但是，使用的大功率能源与相对较慢的处理速度，制成的零件价格都较为昂贵。此外，需严密控制尺寸和形状的金属粉末也是造成价格昂贵的原因之一。因此，直接金属增材制造的主要缺点是成本问题，大多数系统价格在25万美元至150万美元，甚至更高。这样的价格超出许多公司与教育机构的承担范围。

“间接”金属增材制造系统目前在市场上依然有售，其中最成熟的是ExOne2001年推出的粘结剂喷射系统，最初属于ExtrudeHone。兼容的合金材料包括不锈钢，铬镍铁合金，钴铬合金，青铜，铁与若干难熔金属。与早期的SLS RapidTool系统相似，这些机器制造的零件后续必须经过热脱脂和烧结处理，有些还需要用青铜这类再生金属进行渗透处理。ExOne系统定价从43万美元到110万美元不等。

Metal X 系统

Markforged公司的Metal X系统采用的是名为“原子扩散增材制造（ADAM）”的“间接”金属增材制造工艺，这种工艺是基于材料挤压成型技术，基本价格为99,500美元。将金属粉末与高分子聚合物混合成棒状物，放置在靠近机器顶部的墨盒中。所使用的金属粉末与金属粉末床熔融所用的相同，但已被“锁”在聚合物中， 因此这些材料不会空气化，毒性与可燃性风险大大降低。与大多数材料挤压机的方式相似，混合的材料沉积后会在真空炉中一站式加热，制成的零件密度可达99.7%。

Metal X系统的构建体积为250x220 x200毫米（9.8 x 8.7 x 7.9英寸），生产层厚为0.05毫米英200.0﴾寸样杆动制的成制钢锈不4‐71由。﴿品如图3所示。两件样品经烧结后，密度达99.7%。一个制动杆的制造时间为5小时，加上4小时热后处理以及34美元的材料费用。ADAM工艺能够构建全封闭的格子或网状结构，制成的零件比强度高。而粉末床系统的缺点就是制成的封闭结构中带有难以去除或无法去除的未加工材料。这就是粉末床系统和ADAM工艺的区别，而ADAM工艺可能较为适合应用于航空航天和其他领域。

最初可用的材料是303和17‐4不锈钢，而其它材料仍在测试中如Inconel 625镍基超合金，Ti‐6Ai‐4V铝合金，6061与7075铝以及A2与D2工具钢。

“材料的混合是放置于以类似大多数材料挤压机的方式，然后通过在真空炉的一级加热工艺，零件即可达到理论密度的99.7%”

热后处理(Thermal processing)还有一个因素需要考虑的是热后处理和去除聚合物粘结剂会使得零件收缩20%。Markforged的首席执行官Greg Mark表示，零件是均匀一致地收缩的，在生产过程中就要考虑收缩的问题。从其它同样需要热后处理的粉末工艺的研究与经验来看，如金属注射成型，尽管零件收缩是均匀的，但设计师们依然要考虑改变壁厚与其它性能特征，避免成品变形。热处理与冷却过程也需要不少时间，大大降低了构建速度。以制造制动杆为例，除去精加工的时间，大约44%的时间都花在热后处理和冷却的循环过程中。

Mark和他的团队已找到一个方法解决热后处理引起的尺寸误差问题。打印头内置高分辨率激光扫描器，对热处理中的零件进行扫描，及时调整数据，那么打印出来的下一个零件的尺寸精确度就会更高。

结论

Metal X系统的出现为那些想要涉足金属增材制造的公司提供了一个成本合理的选择。它适用于生产成品件，且如果零件细小，其生产力可与数控加工相竞争媲美。此外，还可以用于制造原型机和注塑模具这类工具。马上对这个系统下定论还为时过早，毕竟今年9月才正式发货，目前还暂时不确定最适合应用在哪个领域。但可以确定的是这个系统有望带来一轮新的景象。