فیلامنت فلز

قطعات فلزی جامد با کسری از هزینه در مقایسه با روش های چاپ سه بعدی فلزی صنعتی.

یاد بگیرید که چگونه این کار را با فیلامنت های فلزی واقعی انجام دهید

قطعات فلزی واقعی از فیلامنت؟

فیلامنت برای پرینترهای سه بعدی فاصله زیادی با پلاستیک های شکننده یک دهه پیش داشته است زیرا متخصصان و علاقمندان به طور یکسان کاربردهای جدیدی را برای قطعات پرینت سه بعدی بررسی می کنند. فیلامنت‌های پلاستیکی امروزی قوی‌تر، محکم‌تر و انعطاف‌پذیرتر از همیشه هستند، اما یک هدف کاربران فناوری چاپگر مدل‌سازی FDM) )را از دست داده است:

قطعات فلزی جامد.

یعنی تا زمانی که فیلامنت فلزی آمد.

در این مقاله، فیلامنت‌های فلزی «واقعی» را برای قطعات فلزی از دو سازنده بررسی می‌کنیم – Ultrafuse fom BASF Forward AM واز The Virtual Foundry (TVF) – و دلیل امکان استفاده از آنها چیست. ابتدا درباره ویژگی‌ها و قابلیت‌های منحصربه‌فرد این فیلامنت بیشتر توضیح می‌دهیم، سپس نحوه چاپ با آن را نشان می‌دهیم و در نهایت، نقاط قوت و ضعف آن را بررسی می‌کنیم. ما همچنین چند مکان را ارائه می دهیم که می توانید این فیلامنت ویژه را خریداری کنید.

فیلامنت فلزی چیست؟

فیلامنت فلزی برای چاپ قطعات فلزی از یک پایه پلاستیکی تشکیل شده است که ذرات فلزی به طور یکنواخت درون آن تزریق شده است. فیلامنت تزریق شده با فلز برای قطعات فلزی یک نوع منحصر به فرد از فیلامنت های کامپوزیتی است که در صورت استفاده صحیح می تواند قطعات فلزی قوی، مقاوم در برابر مواد شیمیایی و تقریباً جامد تولید کند.

اگر با فیلامنت پلاستیکی تزریق شده با فیبر کربن یا فیلامنت شیشه ای آشنا هستید، ایده ی فیلامنت پلاستیکی تزریق شده با فلز را خواهید فهمید، اما یک تفاوت قابل توجه وجود دارد. با فیلامنت تزریق شده با فلز برای قطعات فلزی، پلاستیک در یک مرحله پس از فرآوری یک یا دو مرحله ای از چاپ های نهایی حذف می شود و فقط فلز (یا بیشتر فلز) را باقی می گذارد.

فیلامنت های فلزی برای قطعات فلزی باید حاوی درصد بالایی از پودر فلز (حدود 80 درصد) باشند و مراحل پس از فرآوری را طی کنند تا جزء پلاستیکی جدا شده و قطعه فلزی متراکم شود.

Metal-Color & Metalfill

این فیلامنت‌های فلزی را با فیلامنت‌هایی که صرفاً «آلومینیوم» یا «مس» نامیده می‌شوند و نه آن‌هایی که به‌عنوان PLA+فلز فروخته می‌شوند، اشتباه نگیرید، بلکه فقط 5 تا 40 درصد پودر فلز برای اهداف زیبایی دارند.

 

برخی از فیلامنت های فلزی تزئینی، مانند Formfutura’s MetalFil Classic Copper و ProtoPasta’s ProtoPasta’s MetalFil PLA نیز حاوی درصد بالایی از پودر فلز هستند (تا 80%)، اما برای شبیه سازی فلز فقط برای ظاهر در نظر گرفته شده اند. اینها برای برداشتن پلاستیک به هیچ نوع پس فرآوری نیاز ندارند، اما می توان آنها را پولیش زد، سنباده زد یا صیقل داد تا ظاهری شبیه فلز داشته باشند. به غیر از قطعات تزئینی، این مواد برای نمونه های اولیه بصری قطعاتی که در نهایت از فلز ساخته می شوند، چه ریخته گری یا چاپ سه بعدی به روش دیگری ایده آل هستند.

چاپ فیلامنت فلزی صنعتی

در طرف دیگر طیف فیلامنت فلزی، ماشین‌های صنعتی قرار دارند، مانند کارخانه فیوژن از آزمایشگاه‌های Xerion برلین مستقر در آلمان، که با مواد FDM فلزی خود چاپ می‌کند. در سطح صنعتی پرینترهای سه بعدی، اکسترود کردن فیلامنت های فلزی برای ساخت قطعات، رسوب فلز محدود (BMD) نامیده می شود. چاپگرهای سه بعدی دارای BMD شامل Metal X از Markforged، Studio System از Desktop Metal و Metal Designlab از ExOne هستند. اخیراً، 3DGence اعلام کرده است که چاپگرهای Element MP260 و MP350 FDM که با مواد فلزی باند خود این شرکت چاپ می‌کنند به زودی در دسترس خواهند بود و یک استارت‌آپ به نام FuseLab قرار است چاپگر فلزی خود را به نام FL300M معرفی کند.

نحوه چاپ با فیلامنت فلزی

 

 

یکی از مزایای کلیدی فیلامنت فلزی این است که چاپ با چاپگر سه بعدی معمولی چقدر آسان است. فقط توجه داشته باشید که منظور از “عادی”، هر چاپگر FDM با یک تخت و یک نازل فولادی سخت شده است که می تواند به دمای مورد نیاز برسد. در تئوری، این بدان معنی است که شما به یک ماشین گران قیمت نیاز ندارید. می‌توانید آن را روی دستگاه‌های زیر 200 دلار چاپ کنید، مانند Ender 3 یا Anet A8.

در عین حال، این فیلامنت نسبتا کند چاپ می شود. بسته به دستگاه و طراحی قطعه شما، باید چاپ را با سرعت 30 میلی متر بر ثانیه یا 40 میلی متر بر ثانیه، مشابه سرعت هایی که برای چاپ نایلون استفاده می شود، شروع کنید.

فروشنده مواد MatterHackers در ویدیوی خود نکات چاپی مفیدی را ارائه می‌کند، از جمله اینکه نباید قطعات را با اورهانگ چاپ کنید، زیرا ممکن است در فرآیند سینترینگ دچار افتادگی شوند و اینکه موفق‌ترین چاپ‌ها پهن‌تر از بلندی آنها هستند. در حالی که این می تواند قطعاتی را که برای پس پردازش منطقی هستند محدود کند (به زودی در مورد آن بیشتر توضیح خواهیم داد)، MatterHackers تأیید می کند که این فیلامنت برای ساخت قطعات فلزی بدون هزینه های راه اندازی و تولید گسترده بسیار مفید است.

مانند هر فیلامنت دیگری، تنظیمات برش دهنده و چاپگر ایده آلی وجود دارد که تضمین می کند از همان ابتدا بدون آزمایش دمای بستر و سرعت اکستروژن، بیشترین بهره را از مواد خواهید برد. به عنوان مثال، تعداد معدودی از تولیدکنندگان چاپگرهای FDM (Makerbot، Ultimaker، Raise3D، و BCN3D) فیلامنت فلزی برند Ultrafuse را برای استفاده در چاپگرهای خود تأیید کرده‌اند و تنظیمات ایده‌آل چاپگر را ارائه می‌کنند که پس از دوره‌های طولانی آزمایش و آزمایش ایجاد شده‌اند.

چاپگرهای دیگر ممکن است حداقل دستورالعمل‌های دمای بستر و نازل را رعایت کنند، اما سازندگان چاپ فیلامنت فلزی را آزمایش یا تأیید نکرده‌اند. این بدان معنا نیست که کار نمی کند، اما ممکن است قبل از اینکه تنظیمات ایده آل را پیدا کنید، چند چاپ ناموفق را تجربه کنید.

قطعات فلزی شما کوچک می شوند

توجه داشته باشید که قطعات در هنگام پس‌فرآوری در معرض انقباض هستند (از 18% تا 25% حجم اولیه بسته به طراحی و برند فیلامنت) زیرا مواد پلاستیکی موجود در آنها حذف شده و فلز باقی‌مانده متراکم می‌شود. هنگام چاپ قطعات کاربردی که دقت ابعاد در اولویت است، این درجه دشواری بیشتری را به همراه دارد. با این حال، ضریب انقباض ثابت است، بنابراین می توانید مدل های اولیه CAD خود را به طور مناسب مقیاس بندی کنید.

Forward AM’s Ultrafuse دارای پنجره انقباض باریک 16-17٪ در XY و 19-20٪ در محور Z است. با استفاده از Filamet TVF، می توانید برنامه ریزی کنید که چاپ حدود 5٪ برای مس و برنز، 10٪ برای فولادها با استفاده از فرآیند debind/sinter منتشر شده این شرکت کوچک شود. اگر فرآیند debind به آرامی پیش نرود، Z گسترش می یابد، اما باید در یک چرخه موفقیت آمیز فقط کمی بیشتر از X و Y کوچک شود. به طور کلی، انقباض طبیعی 7-10٪ است، این شرکت می گوید. قطعات نهایی 80 تا 85 درصد چگالی خواهند داشت، اما قطعات را می‌توان برای مدت طولانی‌تری زینتر کرد، یعنی انقباض بیشتر و چگالی بیشتر.

همچنین مفید است بدانید که Ultrafuse یک راهنمای کاربر جامع ارائه می دهد که شامل اطلاعاتی در مورد تحمل، انقباض و پوسته پوسته شدن، ضخامت دیوار و موارد دیگر است.

فرآوری مورد نیاز

فیلامنت فلزی پرینت سه بعدی قطعات فلزی مستحکم یا قابل استفاده را مستقیماً از بستر چاپ خارج نمی کند. چاپ های اولیه به عنوان قطعات زیست سازگار شناخته می شوند که شکننده هستند و ویژگی های فلزی کمی دارند. پس پردازش ضروری است.

پس از چاپ، یک قسمت زیست سازگار جدا می شود، که یک فرآیند کاتالیزوری با استفاده از اسید است که پلاستیک یا جزء بایندر را حل می کند. این مرحله کانال هایی با منافذ باز در سراسر قطعه ایجاد می کند. این قسمت متخلخل را قسمت قهوه ای می نامند. به عنوان یک استثنا، فیلامت نیازی به جداسازی شیمیایی ندارد، در عوض از گرما از کوره برای حذف چسب پلاستیکی استفاده می کند.

سپس قسمت قهوه ای در یک کوره پخته می شود، که به طور یکنواخت قطعات را تا زیر نقطه ذوب آنها گرم می کند و هر چسب باقیمانده را از بین می برد و ذرات فلز را برای تشکیل قطعات متراکم ذوب می کند. اکثر مواد TVF را می توان در سخت افزار معمولی کوره تف جوشی کرد تا زمانی که بتواند دمای پخت را برای چندین ساعت حفظ کند.

 

در این مرحله، ممکن است تعجب کنید که چرا کسی این فیلامنت را از بین میبرد، اگر تجهیزات جداسازی یا تف جوشی یا کوره‌ای نداشته باشد. خوب، شما نیازی ندارید!

 

بخشی از راحتی چاپ با فیلامنت فلزی این است که می توانید قطعات خود را به صورت حرفه ای پس از فرآوری ارسال کنید. هر دو Forward AM و TVF خدمات شخص ثالث توصیه شده ای را ارائه می دهند که قطعات فلزی شما را تکمیل می کند و آنها را پس می فرستد.

قدرت فوق العاده

فیلامنت فلزی مدتی است که در دسترس بوده و برای طیف وسیعی از کاربردها مورد آزمایش قرار گرفته است. این تقریباً از همه پلاستیک‌هایی که با ماشین‌های FDM سازگار هستند قوی‌تر است و قطعات نهایی تمام ویژگی‌هایی را که در اجزای فلزی جامد به دنبال آن هستید را نشان می‌دهند.

اما ممکن است بپرسید لایه‌ها چه می‌شود، و سوال خوبی است. یک مطالعه اخیر نشان داد که وقتی جهت لایه موازی با جهت کشش است، قطعات دارای استحکام بسیار کمتری نسبت به زمانی هستند که جهت لایه بر جهت کشش عمود باشد. این مطالعه با استفاده از Ultrafuse یا Filamet انجام نشد، بلکه با استفاده از 60٪ فلز و 40٪ مواد چسبنده پلاستیکی ایجاد شده برای آزمایش ها انجام شد.

 

داده های فنی Ultrafuse مقادیر مشابهی را در قدرت XY و YZ نشان می دهد.

 

با این وجود، طراحی اجزای پرینت سه بعدی و جهت گیری چاپ نقش مهمی ایفا می کند. برای کاهش خطر ناپایداری مکانیکی، Forward AM توصیه می‌کند قبل از چاپ با پیروی از دستورالعمل‌های آنلاین، یک «شبیه‌سازی پایداری جداکننده» انجام دهید. این یک برآورد تنش های داخلی را برای ارزیابی یکپارچگی ساختاری قطعه در حین جداسازی ارائه می دهد – و همچنین نشانه ای بصری از اینکه کدام ویژگی های ساختاری در معرض خطر هستند را ارائه می دهد.

 

این شبیه سازی پخت به عنوان یک سرویس از طریق خدمات مهندسی مجازی Forward AM ارائه می شود. با چنین ابزارهایی می توانید تعیین کنید که آیا چاپ فیلامنت فلزی برای قطعات شما بهینه است یا خیر.

 

حتی اگر چاپ سه بعدی با فیلامنت فلزی ممکن است برای کاربردهایی با الزامات استحکام سخت‌گیرانه مناسب نباشد، عوامل اقتصادی تولید اجزای فلزی متراکم غیر بحرانی در یک دستگاه FDM مقرون‌به‌صرفه می‌تواند ناسازگاری آن‌ها را برای برخی از کاربردهای پر استرس بیشتر کند.

 

گزینه های فیلامنت فلزی

Ultrafuse توسط Forward AM

شرکت مادر Forward AM BASF یکی از بزرگترین شرکت های شیمیایی جهان است. فیلامنت تزریق شده با فلز آنها Ultrafuse نام دارد و در فولاد ضد زنگ 316 لیتر و فولاد ضد زنگ 17-4 PH عرضه می شود. هر دو فیلامنت حاوی 80٪ پودر فلز در یک بایندر اختصاصی مبتنی بر پلیمر هستند.

 

Ultrafuse 17-4 PH که با نام Type 630 نیز شناخته می شود، یک فولاد ضد زنگ سخت شده با مس با کروم است که هم مغناطیسی است و هم مقاومت مکانیکی و خوردگی خوبی را در دماهای تا 315 درجه سانتی گراد حفظ می کند. این شرکت می‌گوید Ultrafuse 316L از طیف گسترده‌ای از برنامه‌ها، از جمله ابزار، جگ و فیکسچر، تولید سری‌های کوچک، قطعات کاربردی و نمونه‌های اولیه پشتیبانی می‌کند.

 

همانطور که ممکن است انتظار داشته باشید، این فیلامنت فلزی ارزان نیست، با هزینه هر کیلوگرم حدود 129 دلار و قرقره های 3 کیلوگرمی حدود 465 دلار برای Ultrafuse 316L و 349 دلار برای Ultrafuse 17-4 PH، که در قرقره های 1 کیلوگرمی نیز موجود است.

 

اگرچه این فیلامنت به طور قابل توجهی گرانتر از فیلامنت های استاندارد چاپ سه بعدی پلیمری است، طبق گفته Forward AM، از بسیاری از فیلامنت های PA تقویت شده با فیبر کربن پایین تر است و هزینه تولید قطعات فلزی با اندازه کوچک و متوسط ​​را به طور چشمگیری کاهش می دهد. بسته به طراحی و اندازه قطعه، می تواند ارزان تر از هر فناوری AM فلزی دیگری باشد. Forward AM برای حمایت از ادعای خود می گوید که چاپ با Ultrafuse 316L 1.4 تا 2 برابر ارزان تر از چاپ با اکثر پودرهای فلزی در چاپگرهای فلزی صنعتی است.

 

برای پردازش پس از پردازش، می‌توانید یک بلیط پردازش از فروشنده فیلامنت خود، مانند MatterHackers و iGo3D خریداری کنید و قطعات خود را برای جداسازی و زینتر شدن ارسال کنید. با هر قرقره فیلامنت Ultrafuse 316L، یک بلیط فرآوری رایگان برای حداکثر 1 کیلوگرم قطعات چاپ شده دریافت می کنید. بلیط های پردازش اضافی را می توان با 50 دلار برای هر بلیط خریداری کرد.

 

قطر: 1.75 میلی متر، 2.85 میلی متر

اندازه قرقره: 1 کیلوگرم، 3 کیلوگرم

ترکیب مواد: 80٪ فولاد ضد زنگ 316L. فولاد ضد زنگ 17-4 PH با چسب 20٪ ترموپلاستیک

دمای نازل: 220-245 درجه سانتی گراد

دمای بستر: 90-100 درجه سانتی گراد

خنک کننده: نیازی نیست

سرعت چاپ: 30-40 میلی متر بر ثانیه

صفحه ساخت: تخت شیشه ای با چوب چسب

نازل: هر نازل مقاوم در برابر سایش (فولاد، یاقوت و غیره)

چگالی قطعات زینتر شده: 7.85 کیلوگرم بر متر مکعب (Ultrafuse 316L); 7.6 کیلوگرم بر متر مکعب (اولترافیز 17-4 PH)

انقباض متوسط: X & Y 16٪، Z 20٪

فاکتورهای مقیاس بندی اولیه توصیه شده: X & Y 120٪، Z 125٪

برگه های اطلاعات فنی: Ultrafuse 316L، Ultrafuse 17-4 PH

 

Filamet توسط The Virtual Foundry

تولیدکننده مواد مستقر در ایالات متحده، The Virtual Foundry در فیلامنت های فلزی تخصص دارد و 9 نوع از آنچه را که Filamet می نامد ارائه می دهد، از جمله فولاد ضد زنگ 316L، فولاد Inconel 718-34 F، تیتانیوم، مس و آلومینیوم. تمام فیلامنت های Filamet برای تولید قطعات فلزی تقریباً جامد در نظر گرفته شده اند و TVF همچنین فیلامنت های فلزی سفارشی ایجاد می کند.

 

فیلامنت فولاد ضد زنگ 316L این شرکت حاوی حدود 85 درصد فلز است و شرکت می گوید می توان از آن بر روی هر چاپگر FDM استفاده کرد. با این حال، دستورالعمل ها را به دقت دنبال کنید زیرا ممکن است به تجهیزات اضافی نیاز داشته باشید. به عنوان مثال، برای چاپ با 316L این شرکت، به یک FilaWarmer برای پیش گرم کردن فیلامنت نیاز دارید.

 

فیلامت را می توان با دمای نازل کمی پایین تر (205-235 درجه سانتی گراد) و دمای بستر بسیار پایین تر (40-50 درجه سانتی گراد) چاپ کرد. نکته دیگری که باید در نظر گرفت این است که فیلامنت TVF به یک نازل فولادی ضد زنگ 0.6 میلی متری نیاز دارد، در حالی که می توانید از نازل استانداردتر با قطر 0.4 میلی متر برای Ultrafuse استفاده کنید.

 

به دلیل محتوای فلز بالای Filamet، می تواند راحت تر از PLA استاندارد شکسته شود. TVF برای چاپگرهایی با تنظیمات اکستروژن مستقیم درایو یا کنار یا زیر فیدر برای تنظیمات Bowden توصیه می کند که قرقره را درست بالای چاپگر آویزان کنید.

 

قیمت هر کیلوگرم از 273 دلار برای فولاد ضد زنگ 319 لیتر، 121 دلار برای مس و 832 دلار برای تیتانیوم متغیر است. TVF نمایه‌های چاپگر را ارائه می‌کند که می‌توانید آنها را در نرم‌افزار اسلایسر خود آپلود کنید، به عنوان نقطه شروعی برای آزمایش با مواد.

برای پس پردازش، مواد TVF فقط به یک فرآیند یک مرحله ای نیاز دارد، گرمایش در یک کوره. این شرکت دو اندازه کوره – Starter و Pro – را می فروشد و دستورالعمل های پخت را ارائه می دهد.

 

برای مشتریانی که تجهیزات پخت ندارند، TVF با خدمات چاپ سه بعدی فلزی Sapphire 3D در خارج از شیکاگو کار می کند تا چاپ را با قیمت حدود 50 دلار برای هر قطعه کوچک پردازش کند.

 

قطر: 1.75 میلی متر، 2.85 میلی متر، گلوله

اندازه قرقره: 500 گرم، 1 کیلوگرم

ترکیب مواد: 80٪ فولاد ضد زنگ 316L یا فولاد ضد زنگ 17-4 PH با 20٪ پلیمر پلاستیکی

دمای نازل: 205-235 درجه سانتی گراد

دمای بستر: 40-50 درجه سانتی گراد

خنک کننده: نیازی نیست

سرعت چاپ: 30 میلی متر بر ثانیه برای شروع

صفحه ساخت: هر ماده ای، اما با یک لایه بین چاپ و تخت (مثلاً نوار نقاش آبی یا چوب چسب)

نازل: 0.6 میلی متر یا بزرگتر، فولاد ضد زنگ استاندارد

 

Zetimix توسط Nanoe

سازنده مواد فرانسوی، Nanoe، یک فیلامنت فولادی ضد زنگ 316L و یک فیلامنت فولادی ابزار H13 را ارائه می دهد. هر دو فیلامنت حاوی حدود 52٪ تا 55٪ فلز در یک کلاسور هستند، بنابراین در دمای نازل بسیار پایین تر از سایر مارک ها قابل چاپ هستند. این شرکت می گوید بسته به مواد و طراحی و قطعات نهایی با تراکم 90 تا 91 درصد می توان انتظار انقباض 16 تا 21.3 درصدی را داشت. به ازای هر کیلوگرم، قیمت‌ها برای فولاد ضد زنگ 319 لیتری و فیلامنت فولادی ابزار H13 که از طریق توزیع‌کنندگان در سراسر جهان در دسترس است، کمتر از 300 دلار است.

Nanoe دستورالعمل های چاپ و صحافی را به صورت آنلاین ارائه می دهد: 316L, H13.

قطر: 1.75 میلی متر، 2.85 میلی متر

اندازه قرقره: 500 گرم، 1 کیلوگرم

ترکیب مواد: 55٪ فولاد ضد زنگ 316L یا 52٪ فولاد H13

دمای نازل: 180 درجه سانتی گراد

دمای بستر: 30 درجه سانتی گراد

خنک کننده: نیازی نیست

سرعت چاپ: از 15 تا 50 میلی متر بر ثانیه بسته به شکل قطعه

نازل: 0.6 میلی متر یا بزرگتر، فولاد ضد زنگ استاندارد

فاکتورهای مقیاس بندی اولیه توصیه شده: X & Y 120٪، Z 125٪

برگه های اطلاعات فنی: 316L, H13