遇见 FX10：世界首台工业用金属和复合材料三维打印机 (Meet the FX10: The First Industrial Metal and Composite 3D Printer)

在谈论 FX10 本身之前，我们先来谈谈它与金属和复合材料印刷相结合的两种互补工艺：FFF+CFR 和金属 FFF。 

Markforged 的复合材料打印机采用双重工艺：熔融长丝制造（FFF，又称 FDM）和连续纤维增强（CFR）。FFF 是一种行业标准 3D 打印工艺，在这种工艺中，基于热塑性塑料的长丝被加热并通过喷嘴分层挤出，从而制造出零件。CFR 是一种加强工艺，可使 FFF 三维打印成型机用连续纤维加固部件。CFR 使用第二个挤出系统来挤出长股连续纤维。连续纤维层层铺设，取代了 FFF 填充物。打印出的零件强度明显提高（最高可达任何 FFF 材料的 10 倍），可在应用中取代铝制零件。

Markforged 开发了一种称为金属 FFF 的工艺，可以在不接触金属粉末的情况下打印出接近净形的金属零件。金属 FFF 工艺分为三个步骤，详情如下。 
1.    打印：专门的 FFF 打印机打印由聚合金属粉末（类似于 MIM 原料）制成的长丝。在打印过程中，聚合物与金属粉末一起被熔化并挤出。必要时，零件会被打印上相同材料的筏板和支撑物，这些筏板和支撑物会被通过第二个喷嘴打印的陶瓷脱模材料与零件隔开。打印出的 "绿模 "会放大约 20%，以考虑到后期工艺中的收缩。
2.    脱脂：将绿模浸入脱脂溶剂中，使聚合物粘合材料溶解。脱脂后的零件称为 "棕模"。
3.    烧结：棕模在专门的熔炉中烧结，变成完全金属零件。在打印过程中，零件会收缩大约 20%。

使用金属 FFF 印刷的金属零件接近净形精度，通常具有开孔填充。
 

为了制造金属和复合材料 FFF 打印机，我们的工程师必须清除一个存在的绊脚石--聚合物丝和早期金属丝之间根本不兼容。聚合物长丝很简单，但有一个要求：密封材料通道，以限制湿气暴露。早期金属丝的问题恰恰相反：它们非常脆，需要经过特殊处理才能打印，包括线轴和打印头之间没有密封管道。这个问题使得开发双功能机器几乎成为不可能。

为了解决这种不兼容性，我们重新设计了金属 FFF 长丝。我们不再使用与金属注射成型原料相似的脆性长丝，而是自己配制了专为 3D 打印优化的聚合物粘合剂。由此产生的 "柔性 "长丝更容易处理，几乎消除了喷嘴堵塞现象，最重要的是，它可以穿过进料管而不会断裂。我们的第一款柔性长丝是铜丝（2020 年发布）。随后，我们在过去两年中重新推出了 3 种最受欢迎的金属材（17-4PH v2、H13 v2 和 D2 v2）。316L 将在明年 FX10 金属功能上线后推出。

虽然柔性长丝解决了构建双系统的根本问题，但我们的工程师仍然需要找到一种方法来构建一个可靠的系统，以打印两种截然不同的介质。为此，他们建造了我们有史以来模块化程度最高的机器。

在设计 FX10 时，我们了解到金属丝和复合丝需要完全不同的硬件才能将材料从线轴传送到部件。为此，我们采用了打印引擎的关键元件，并使它们可以互换（如下所列）。

1. 打印头：复合材料和金属各有一个专用打印头，都有两个喷嘴。复合材料打印头有一个塑料喷嘴和一个纤维喷嘴，而金属打印头则有一个金属丝喷嘴和一个陶瓷脱模材料喷嘴。打印头只需两颗螺丝即可拆卸和更换。
   


2. 材料路由块：材料路由块位于机器背面，接收四根进料管（每个线轴槽一根）。在复合材料块上，这些管子被引入一个出口，送入打印头。在金属块上，这些管子被连接到两个出口：一个用于金属丝，另一个用于陶瓷脱模材料。只需拧下一颗螺丝，就能更换打印块。
   


3. 材料管：专用材料管确保金属丝和复合材料丝之间无交叉污染
   

除了打印引擎的三个部件外，还需要更换一些辅助部件，包括打印纸、清洗仓和轴支架。整个更换过程大约需要 15 分钟，之后机器会进行一个小时左右的校准程序。

使用 FX10，您可以在两个小时内完成金属和复合材料打印之间的转换。金属打印部件仍需使用 Markforged 提供的相同辅助设备进行清洗和烧结。

FX10 有两种配置：复合型和金属 + 复合型。复合配置包括打印机，而金属 + 复合配置包括打印机（在复合配置中，还包括 FX10 金属套件、Wash-1 和 Markforged 烧结炉）。仅购买复合型 FX10 的用户可通过购买金属套件、清洗-1 和烧结炉获得金属功能。现有 Markforged 金属 FFF 功能（通过Metal X）的用户可以购买带有金属套件的 FX10，以升级其金属功能。 

FX10 将与我们现有的所有柔性金属丝兼容：除传统材料外，我们还将在 FX10 上独家发布一种新金属丝：316L。这种高度耐腐蚀的不锈钢适用于食品饮料、海事和其他行业。

作为第一台既能进行复合材料打印又能进行金属打印的 FFF 打印机，FX10 是第一台能够涵盖所有制造应用的设备。金属打印和复合材料打印具有很强的互补性，可以发挥各自的优势。

复合材料的优势
1.    大型部件：金属 FFF 具有烧结工艺固有的零件尺寸限制。如果零件尺寸大于 15 厘米，复合材料打印通常是更好的解决方案。 
2.    符合设计要求：复合材料和塑料零件可设计成在负载下屈服或弯曲，是许多夹具的理想选择。
3.    无磨损表面：复合材料不会产生摩擦，这在处理易碎材料时是绝对必要的。
4.    成本低、速度快：与金属 FFF 的三步工艺相比，复合材料打印能以更快的速度生产出比金属更便宜的零件。 
5.    更严格的公差：虽然金属可以进行后加工，但复合材料机器的印刷公差要比金属严格得多。

金属的优势
1.    强度和硬度：复合材料强度高，但不锈钢和工具钢的强度只有金属才能达到。同样，金属的硬度也比印刷的复合材料高很多，有些金属还可以进一步硬化。
2.    耐热性：对于在 200 ºC 以上环境中工作的部件，金属是唯一的选择。
3.    耐磨性：金属不仅坚硬（而且可淬火），还具有出色的耐磨性，适用于反复磨损的部件。
4.    可加工性：金属零件可加工成严格的公差或镜面。 
5.    导热性和导电性：铜具有独特的导热性和导电性，适用于有特殊要求的部件。 

复合材料可以解决很多问题，但有时你只需要金属。 

这些高度互补的优势体现在三个方面：共享应用、独特应用和混合应用。 

在某些应用中，例如末端机械臂工具，复合材料和金属因不同的原因而表现出色。复合材料 EOAT 可以是无摩擦夹具和真空工具，而金属 EOAT 通常是用于大批量生产的生产型夹具。拥有这两种技术可以将应用范围扩展到更多的零件。

在其他情况下，复合材料或金属的特定属性使工程师能够获得特定的应用。对于复合材料而言，一个优质的例子就是工厂辅助设备：有效运行生产线所需的大量支架、固定装置、导轨和夹具。这些部件都很重要，但却得益于复合材料打印的低成本和高速度。简而言之，它们不需要使用金属。在金属方面，高温工具（如钎焊夹具）只有在金属打印的情况下才能使用。 

最后，多元应用使工程师能够在单个组件中利用金属和复合材料的互补优势，创造出性能更强的高度优化工具。采用复合材料工具体和金属耐磨垫的臂端工具就是一个很好的例子。在这些工具中，复合材料工具体成本低、强度高、生产速度快，而金属耐磨垫则具有硬度和耐磨性。通过使用这两种材料，可以为特定应用定制工具，这是其他制造技术无法实现的。 
 

FX10 作为一台仅用于复合材料的设备，已经是一台出色的、领先同类的设备。增加了金属功能后，它成为了一台真正具有变革意义的制造设备：第一台能够在工厂车间制造金属和复合材料部件的 FFF 设备。我们相信它是工厂车间最通用的工具。如果您想了解更多信息，请与我们的 3D 打印专家联系。