Cold Metal Fusion使用現有的SLS印表機生產金屬零件，實現更經濟的批量生產。

·冷金屬熔化背後的技術

·冷金屬熔化材料和設備

·CMF 3D印表機和設備

·誰在使用冷金屬聚變

·金屬零件特性

·列印冷金屬融合零件

冷金屬融合（CMF）是一種新的金屬3D列印技術，它將現有金屬製造工藝的一些元素與選擇性鐳射燒結（SLS）3D印表機中使用的3D列印技術相結合。一個簡單的想法是將一種巧妙的新材料整合到一個久經考驗的機械生態系統中，使製造商能夠用同樣的設備做更多的事情。

Headmade Materials發明並於2021年推出的遊戲規則改變者是冷金屬聚變核心的專利金屬原料。金屬顆粒上覆蓋著一層薄薄的聚合物，在SLS 3D列印過程中將它們結合在一起。

自行車零件初創公司Titanum和製造商Element22合作，在EOS SLS 3D印表機上使用Cold Metal Fusion技術創建了這些MyTi無夾踏板（來源：Element22）

這種令人印象深刻的材料被開發成可以無縫地適應任何可用SLS機器的日常操作（只有少數被“批准”，但稍後會有更多內容），這意味著SLS印表機的起價比大多數金屬3D印表機都低，現在可以超越僅使用尼龍等聚合物，轉而使用不銹鋼（316L，17-4PH）、鈦和工具鋼等金屬。

輕鬆且經濟地獲得自定義金屬零件的3D列印！

自推出以來，CMF為Tom Sturdy的Fiadh鈦合金公路自行車提供了為每位騎手量身定制的重量優化鈦合金部件，並為Formula Student提供了改進賽車“Stallardo 21”的低重量高容量部件。但稍後會有更多關於誰在使用CMF的資訊。現在，我們想知道他們是怎麼做到的？

冷金屬融合3D列印

冷金屬熔化背後的技術

冷金屬熔化需要幾個步驟，其中許多步驟與金屬注塑相同（來源：Headmade Materials）

Cold Metal Fusion能讓事情變得簡短而甜蜜，因為SLS印表機使用上述專利金屬原料，就像他們長期使用聚合物粉末製造零件一樣。目前，聚合物塗層金屬原料只能從Headmade Materials獲得。

SLS技術使用典型的聚合物材料，利用鐳射將粉末狀塑膠在熱和壓力下結合在一起，逐層形成3D形狀。這是通過用一個或多個雷射器（類型包括二極體、C02或光纖，功率範圍從10瓦到60瓦到100瓦）選擇性地燒結聚合物顆粒來實現的。

儘管冷金屬融合是一個從數字設計到最終金屬零件的多步驟過程，但它的吸引力在於作為一種批量零件生產方法（來源：Sintratec）

在SLS機器內部的CMF過程中，有些事情需要改變。SLS機器必須具有開放的參數或預先安裝的材料輪廓，以根據金屬原料的要求調整溫度和其他設置。CMF的溫度比任何SLS機器用來列印的溫度都低得多（低於80ºC），因此cold Metal Fusion中有“cold”一詞。金屬在這個過程中並沒有熔化，只是聚合物。

在每個部分之後，在構建的層上塗上一層新的原料，鐳射燒結，該過程一次又一次地重複，直到完成，而不需要支撐結構。其結果是由填充有金屬粉末的塑膠製成的綠色零件（這意味著粉末冶金中的任何金屬都可以使用，零件成本顯著降低）。

完成後，需要對零件進行清潔和除粉，根據發明人網站對該生坯零件的高強度和穩定性的說法，這可以通過水壓或氣壓實現自動化。生坯部件的耐用性進一步使得在金屬燒結之前能夠進行機械車削、銑削、鑽孔和研磨。由於整個過程的低溫，所有未使用的剩餘金屬原料下次都可以重複使用。

從這裏開始，就像在金屬注射成型（MIM）工藝中一樣，零件經過化學脫脂，從零件中去除大部分聚合物，留下一個棕色零件，供最後階段的燒結爐生產全金屬零件。

最後的部分比最初列印的部分小。所有由聚合物粘合劑和金屬製成的3D列印零件（金屬絲3D列印、金屬粘合劑噴射）一旦去除聚合物並燒結零件，就會收縮。

Headmade Materials表示，無論零件尺寸、形狀或複雜性如何，它都實現了零件均勻收縮的聖杯。

鋼和鈦的收縮率分別為15%和12%。沒有特殊的軟體或計算。該公司表示，只需在CAD程式中將鋼制零件放大15%，最終零件就會完全符合規格。

冷金屬熔化材料和設備

Headmade Materials的金屬和聚合物原料有316L和17-4PH不銹鋼、M2工具鋼、Ti6Al4V和CP Ti 1級鈦和鎢（來源：Headmade Materials）

冷金屬熔合工藝已經有一些值得信賴的材料，包括316L不銹鋼、17-4PH不銹鋼、M2工具鋼、Ti6Al4V鈦、CP-Ti鈦（1級）和鎢。通過Headmade Materials網站密切關注其他公司的進展，因為另一種工具鋼H13、鉻鎳鐵合金625和鋁6061目前正在開發中。

話雖如此，從所有關於該工藝的討論和文獻中可以清楚地看出，粉末冶金中的任何金屬都是適用的，Headmade Materials也很樂意根據客戶的需求，根據客戶的要求，對目前3D列印中沒有的各種其他合金進行適配，包括“非常細或粗糙的以及有棱角的粉末”

Headmade Materials的金屬和聚合物原料（來源：Headmade Materials）

Headmade Materials原料的價格沒有公開，但該公司表示，這與粘合劑噴射工藝中使用的金屬粉末的價格相當。在粘合劑噴射中，也有專有的粘合劑作為消耗品，但對於Headmade Materials，原料是一體式材料。

CMF 3D印表機和設備

Cold Metal Fusion需要的不僅僅是SLS 3D印表機。您需要脫脂設備和熔爐（來源：ColdMetalFusion Aliance）

至於設備，該工藝需要SLS印表機、脫脂站（帶溶劑）和燒結爐（MIM型）。嚴格來說，脫脂和燒結步驟可以外包，因為這些額外的設備價格高昂，而且這些步驟確實需要一定的專業知識。

儘管理論上，任何開放式周邊SLS機器都可以處理Headmade Materials的原料，但需要進行一些調整和測試才能得出不同品牌SLS機器的周邊。

迄今為止，已有四家SLS機器製造商與Headmade Materials合作開發了所需的周長：

·EOS

·Nexa3D

·Sintratec

·Farsoon

預計會有更多的3D印表機製造商加入該俱樂部，其中還包括精選的後處理機器製造商。這個CMF俱樂部被稱為冷金屬融合聯盟。

這個由設備和軟體製造商組成的聯盟合作提供捆綁產品，讓您在沒有設備的情況下開始使用CMF。他們將產品打包為兩個捆綁包：CMF LabSystem和CMF JobShop。

CMF實驗室系統是測試和小型系列的基本選項，包括以下內容：

·Sintratec S2 SLS 3D印表機和物料處理站，用於沉澱和真空清潔溶液。

·洛米30升脫脂站，具有一體化的溶劑脫脂和溶劑回收站。

·Carbolite 8升管式燒結爐，配有針對CMF、觸摸面板控制和1300°C最高操作溫度進行優化的自動管式燒結機。

CMF JobShop捆綁包是為那些有興趣開發自己的生產線的人設計的，包括以下內容：

·Farsoon Technologies SLS印表機，帶沉澱站

·Lomi 50升自動脫脂站

·Carbolite 25升批量燒結爐，具有精確的大氣控制、1600°C的最高操作溫度和水冷壁。

更多的捆綁包和選項正在製作中。或者，可以根據所需零件或業務需求設計和創建量身定制的生產解決方案。

誰在使用冷金屬聚變

一款印有冷金屬融合技術的鈦制自行車曲柄（來源：StrudyCycles）

對CMF感興趣的公司和製造商可能正在為低體積的金屬零件尋找一種價格較低的粘合劑噴射替代品，或者希望通過現有的SLS硬體投資擴展到金屬零件。但CMF對金屬注射成型公司來說尤其有吸引力，這些公司已經在金屬的脫膠和燒結方面擁有專業知識（其重要性不容低估），現在可以為其產品添加更快、更便宜、更靈活的製造方法。

讓我們來看看到目前為止，是誰抓住機會將這項令人興奮的新技術用於最終用途零件。

多虧了CMF，去年，定制公路自行車製造商Sturdy Cycles宣佈將其鈦零件生產轉向3D列印。據報導，作為一名創新、熱愛技術的自行車車架製造商，該公司董事Tom Sturdy被CMF準備工作減少帶來的效率提高所吸引，這意味著在英國薩默塞特郡可以在現場完成更多的工作。這導致了成本的降低，製造商總是贏家。

在Sturdy Cycles的高速、輕型和運動型公路自行車The Fiadh上使用時，鈦零件專家Element22與CMF發明者Headmade Materials合作生產了幾個部件，包括鞍座、車把、底部支架、曲柄和鏈條撐杆的連接器。由於這些高性能自行車的獨特性質（和成本），尺寸是為每個騎手量身定制的。有了CMF技術的穩定性和由此產生的可重複性，現在在經濟上更可能大規模實現。

這種鈦油空氣分離器是使用冷金屬融合技術製造的，以實現低重量和高負載能力（來源：Headmade Materials）

在國際學生方程式比賽中，代表德國Esslingen應用科學大學的團隊獲得了一款採用CMF技術生產的油氣分離器，這是Headmade Materials贊助的一部分。Stallardo 21賽車是一款由鈦合金Ti6Al4V製成的重量優化、高承載能力部件，有望提高其最大性能。

未來，公司預計該技術的應用通常會進入高端消費品市場，包括奢侈品行業、汽車以及航空航太、醫療和精密機械領域的進一步高科技材料。

德國工具製造商Utilis使用Cold Metal Fusion開發了一種具有內部冷卻通道的新型切削工具，可提高效率（來源：ColdMetalFusion聯盟）

另一家轉向CMF的公司是德國工具公司Utilis AG。該公司與CMF零件製造商MIMplus和Headmade Materials合作，共同開發了一種M2工具鋼刀具夾，該刀具夾具有獨特的內部冷卻液通道，可將刀具性能提高近185%。得益於新的集成冷卻系統，Utilis的客戶現在有機會在不經歷更高磨損的情況下將其刀刃的使用壽命延長一倍或提高其切削價值。集成冷卻系統只有在3D列印的情況下才可能實現，因為冷卻通道的直徑非常小，需要在不損壞生坯的情況下清除粉末。

金屬零件特性科

2023年9月，生產聚合物3D印表機的Nexa3D進入金屬3D列印市場。他們沒有推出新機器，而是推出了Headmade Materials的一種新材料，可以在選擇性鐳射燒結3D印表機上生產金屬零件（來源：Nexa3D）

根據冷金屬融合聯盟白皮書，冷金屬融合金屬零件的特性與金屬注塑完全相當。

下圖由冷金屬融合聯盟提供，顯示了不銹鋼316L和鈦Ti6Al4V零件的屈服強度、拉伸強度和總伸長率的零件特性的標準化或標準化值。EOS Fromiga P110 SLS 3D印表機上使用ColdMetalFusion生產的金屬零件超過了這些標準。

由Headmade Materials不銹鋼和鈦原料使用冷金屬熔合製成的零件的屈服強度、極限拉伸強度和總伸長率超過了金屬注塑零件的標準（來源：Headmade Materials）

冷金屬融合聯盟表示，在零件密度方面，結果取決於材料、印刷和燒結工藝，但通常不銹鋼316L的密度高於97%，液相合金的密度高達100%。根據聯盟的說法，通過優化每個金屬零件的工藝步驟，可以實現高達99%的可重複密度。

通過優化工藝參數，尺寸精度約為±100微米或更高。表面品質與其他3D列印零件相當，如金屬粉末床熔合或金屬粘合劑噴射。如果需要更好的表面品質，則可以在燒結之前對生坯部件或在燒結之後對金屬部件進行額外的後處理。零件也可以進行機械加工和拋光，以滿足光潔度要求。

用冷金屬熔化法生產的金屬零件的硬度等特性對應於底層合金的硬度。根據Cold Metal Fusion Alliance的材料，這也意味著熱處理或交聯（通常被其他3D列印技術用來降低內部零件應力或達到特定硬度）是不必要的。金屬部件的硬度由下麵的合金和燒結工藝決定，而不是由3D列印工藝決定。目前，在沒有後處理步驟的情況下，硬度可以達到60 HRC。

冷金屬融合生產的金屬零件也可以進行熱等靜壓（HIP），以提高金屬零件的密度和晶粒結構，然而，聯盟建議優化零件設計和參數，以避免這種額外的後處理步驟。