導讀：在金屬3D打印領域中，像SLM、SLS、EBM等基于粉末成形的工藝多被人們所熟知，但行業內對金屬漿料打印的研究就相對小眾許多。在之前的文章中，南極熊也曾整理了一些有關金屬3D漿料打印的案例（詳見相關報道《舊瓶裝新酒？金屬漿料直寫3D打印技術現狀》），但也多是以高校內的實驗室研究為主，市場上對此類打印工藝的應用案例并不常見。

一種低成本的金屬3D打印技術來了，非常適合模具、工具行業！

2021年7月，南極熊獲悉，國外一家名為Mantle的初創3D打印公司就選擇金屬漿料打印作為他們的研究方向，和FDM技術非常像，只是材料由線材/顆粒料變為金屬漿料。這家公司的聯合創始人兼首席科學官Steve Connor博士詳細解釋了他們公司在其金屬3D打印機中使用漿料作為材料的技術原因，而不是像幾乎所有其他金屬3D打印機制造商使用的長絲、粉末或液體。南極熊認為其中有很多值得借鑒的地方，特意整理了一些相關信息與大家分享。

△使用高粘度金屬漿料3D打印技術制造的模具零件

技術原理

Mantle 的 TrueShape技術可從 CAD 文件打印、成型和燒結精密金屬零件，其時間和成本僅為傳統制造的一小部分。

△技術流程總體分為三步：打印切割燒結。首先，Mantle 的 Flowable metal Paste 材料使用精確定位系統和基于擠壓的打印頭打印成零件的形狀。同時，會使用刀具高速切割沉積層，改善零件表面光潔度和細節。最后，在高溫爐中，零件被加熱到略低于其熔點的溫度，熔化成致密的固體金屬零件

△金屬3D打印糊狀材料，來源：Mantle

Mantle公司作為3D打印領域的一家新創業公司，最近才從慢慢走進大眾視野，這一點要跟他們公司沒有進行較多的的相關產品展覽有關。據了解，Mantle的市場定位是工業金屬工具，他們的整個系統以及推出的金屬3D打印工藝也是圍繞這個市場設計的。

簡而言之，Mantle的工藝特點在于是使用漿料擠出機來精確沉積金屬漿料，從而達到成坯的效果。隨后對沉積生坯進行加熱以去除粘結劑，并將金屬顆粒燒結在一起，然后進行數控銑削動作以平滑表面。這樣一層一層地重復，直到物體被建造出來。

金屬3D打印材料：高粘度漿料

Mantle與大多數3D打印機制造商不同，他們沒有遵循從技術入手后再去尋找市場的模式。相反，他們首先選擇了市場，然后才針對性地解決技術問題。

△漿料金屬3D打印技術，比MIM、SLM、粘合劑噴射等其它3D打印技術材料的優勢

TrueShape 工藝的基礎是一系列專有的可流動金屬漿料 (FMP) 材料。在液體中加入金屬顆粒，以確保打印過程中的安全性和一致性。漿料中不同的顆粒類型和尺寸可最大限度地減少燒結過程中的尺寸變化，優化材料工藝獲得零件的最佳性能。

Mantle 目前已有的材料包括：

P2X 材料，與流行的 P20 工具鋼類似，但具有更高的耐腐蝕性和耐磨性。

H13 材料，就像標準的 H13 工具鋼一樣，可以硬化到大于 50 洛氏硬度。

特殊配方的高硬度鋼與液體粘合劑混合，配制成為金屬漿料。

金屬3D打印現在是一種應用廣泛的技術，有多家供應商都在提供相關產品。大多數廠家都選擇使用粉末床熔融（PBF）工藝，原理是粉末被移動的高能熱源選擇性地逐層熔化。其他金屬成形工藝還包括以金屬納米顆粒的液體（如噴射型XJet）和高純度的金屬絲（如同軸送絲激光焊接）為原材料進行打印的方法。

雖然上述這些工藝確實有效，并已被許多公司成功使用，但每種工藝都有各自的挑戰。一些工藝只能生產低精度的零件，另一些制造的工件強度較差。還有一些涉及復雜的設備環境，以防止操作過程中出現污染、雜質等，大多數就算制造出來成本也是相當昂貴的。

Mantle評估了所有這些工藝以及更多的工藝，但最終選擇了漿料作為他們的材料類型。據了解，這在金屬3D打印行業內是十分罕見的。

使用"單一金屬粉末"進行打印有許多挑戰。PBF確實有效，但很難做到，首先高昂的成本就是首要考慮的問題，當然針對于航空、軍工等這些不計成本的領域就另當別論了。這也是Mantle公司放棄了粉末成形方式的原因，因為他們的目標市場與航空業不同，很可能無法承擔這種工藝的成本。

Mantle還遇到了液體金屬墨水打印常見的問題，因為雖然液態墨水很容易流到沉積噴嘴，但在沉積后很難控制，這促使他們考慮采用更高粘度的漿料式打印。

Connor解釋了漿料材料的好處："在測試了許多不同的材料后，我們覺得可流動的金屬漿料最能滿足我們的核心需求，原因有很多。

首先，通過使用在不同溫度下粘度可調節的多組分漿料，我們可以非常準確地進行打印，并在擠壓后填補縫隙，同時防止厚的部分坍塌或流離位置。這也允許我們實現高的打印密度，這意味著我們可以獲得具有優良的表面光潔度和高機械性能的部件。

第二，漿料簡化了其他原料的處理和儲存問題，保存壽命長。

第三，漿料在燒結過程中具有8-10%的低收縮率，這有助于我們滿足工具制造商的精度要求。

第四，漿料還使我們的打印機能夠使用更簡單的機器設計：我們只需要一個噴嘴，而不是成百上千個噴嘴，這就降低了成本，簡化了維護。"

南極熊認為，高粘度金屬漿料打印的低收縮率也是Mantle選擇該工藝進行嘗試的重要原因之一，畢竟他們聲稱的收縮率僅有8-10%。像其他漿料體系在脫膠和燒結過程中，零件的收縮率通常高達20%。因此，Mantle公司一定有一些特定的裝載體系，既能很好的維持生坯強度又容易脫除，且不會對燒結后的形狀造成大的影響。如果他們沒有，就不能可靠地達到這種精度。不過看來目前他們已經解決了這個問題，或者至少最大限度地減少了降低收縮率這個問題。

筆者在想，在聽到漿料材料的諸多優點后，其他人是否會考慮使用它？其實國內，也已經有一些先驅者在做相關方面的嘗試，例如長沙墨科瑞團隊、深圳升華三維等，并且也取得了不錯的成績。也許未來，用更廉價的材料的增材工藝來替代相當昂貴的PBF粉末床金屬3D打印系統可能會越來越有吸引力。

應用領域

南極熊了解到，Mantle著眼于價值 450 億美元的模具和工具行業， TrueShape 打印機具有三個主要優勢：更快的生產時間、更低的成本以及制造可縮短成型周期的隨形冷卻通道的能力。

它通常用于打印一些最復雜的模具部件，例如嵌件。這些嵌件通常是模具中最昂貴和最耗時的方面，也是 Mantle 最能發揮價值的地方。當然，模具還有其他部件，例如模座、流道、頂出銷等，通常還是按常規制造的。然后3D打印嵌件與模架的其余部分組裝在一起，形成整個模具。