2023 年秋季，我們推出了新一代復(fù)合打印機 FX10。我們提到過模塊化，但沒有明確說明模塊化的含義。

模塊化是金屬 FFF 功能--使 FX10 成為第一臺能夠打印復(fù)合材料和金屬零件的工業(yè)打印機。FX10 的設(shè)計初衷就是為客戶提供這種雙重功能。在這篇文章中，我們將講述實現(xiàn)這一目標的過程，以及對潛在用戶的意義。

工藝比較： 復(fù)合材料與金屬

在談?wù)?FX10 本身之前，我們先來談?wù)勁c金屬和復(fù)合材料打印相結(jié)合的兩種互補工藝： FFF+CFR 和金屬 FFF。

Markforged 的復(fù)合材料打印機使用雙重工藝： 熔融長絲制造（FFF，也稱為 FDM）和連續(xù)纖維增強（CFR）。FFF 是一種行業(yè)標準 3D 打印工藝，在這種工藝中，基于熱塑性塑料的長絲被加熱并通過噴嘴分層擠出，從而制造出零件。CFR 是一種輔助工藝，可使 FFF 三維打印成型機用連續(xù)纖維加固部件。CFR 使用第二個擠出系統(tǒng)來擠出長股連續(xù)纖維。連續(xù)纖維層層鋪設(shè)，取代了 FFF 填充物。這樣制作出的零件強度更高（比任何 FFF 材料高出 10 倍），在應(yīng)用中可以取代鋁制零件。

Markforged 開發(fā)了一種稱為 “金屬 FFF ”的工藝，可在不接觸金屬粉末的情況下打印出接近凈形的金屬零件。金屬 FFF 工藝分為三個步驟，詳情如下。

?打?。?專門的 FFF 打印機打印由聚合金屬粉末（類似于 MIM 原料）制成的長絲。在打印過程中，聚合物被熔化并擠出，金屬粉末也隨之擠出。必要時，零件會被打印上相同材料的筏板和支撐物，這些筏板和支撐物會被通過第二個噴嘴打印的陶瓷脫模材料與零件隔開。由此產(chǎn)生的 “綠色部件 ”將按比例放大 ~20%，以考慮到后期工藝中的收縮。

?排膠：將 “綠色部件 ”浸入排膠溶劑中，使聚合物粘合材料溶解。排膠后的部件稱為 “棕色部件”。

?燒結(jié)： 棕色部件在專門的熔爐中燒結(jié)，變成完全金屬的部件。在打印過程中，部件會收縮約 20%。

使用金屬 FFF 印刷的金屬零件接近凈形精度，通常具有開孔填充。

縮小差距

為了制造金屬和復(fù)合材料 FFF 打印機，我們的工程師必須清除一個存在的絆腳石--聚合物絲和早期金屬絲之間根本不兼容。聚合物長絲很簡單，但有一個要求：密封材料通道，以限制濕氣暴露。早期金屬絲的問題恰恰相反：它們非常脆，需要經(jīng)過特殊處理才能打印，包括線軸和打印頭之間沒有密封管道。這個問題使得開發(fā)雙功能機器幾乎成為不可能。

為了解決這種不兼容性問題，我們重新設(shè)計了金屬 FFF 長絲。我們沒有使用與金屬注射成型原料相似的脆性長絲，而是自己配制了優(yōu)化用于 3D 打印的聚合物粘合劑。由此產(chǎn)生的 “柔性 ”長絲更容易處理，幾乎消除了噴嘴堵塞現(xiàn)象，最重要的是，它可以穿過進料管而不會斷裂。我們的第一款柔性長絲是銅絲（2020 年發(fā)布）。隨后，我們在過去兩年中重新推出了 3 種最受歡迎的鋼材（17-4PH v2、H13 v2 和 D2 v2）。316L 將在明年 FX10 金屬功能上線后推出。

柔性金屬絲是 FX10 的關(guān)鍵技術(shù)改進

雖然柔性長絲解決了構(gòu)建雙系統(tǒng)的根本問題，但我們的工程師仍然需要找到一種方法來構(gòu)建一個可靠的系統(tǒng)，以打印兩種截然不同的介質(zhì)。為此，他們建造了我們有史以來模塊化程度最高的機器。

如何使用

在設(shè)計 FX10 時，我們了解到金屬絲和復(fù)合絲需要完全不同的硬件才能將材料從線軸傳送到部件。為此，我們采用了打印引擎的關(guān)鍵元件，并使它們可以互換（如下所列）。

?打印頭：復(fù)合絲和金屬絲各有一個專用打印頭，都有兩個噴嘴。復(fù)合材料打印頭有一個塑料噴嘴和一個纖維噴嘴，而金屬打印頭則有一個金屬絲噴嘴和一個陶瓷脫模材料噴嘴。打印頭只需兩顆螺絲即可拆卸和更換。

?材料導(dǎo)向塊： 材料導(dǎo)向塊位于機器背面，接收四根進料管（每個線軸槽一根）。在復(fù)合材料塊上，這些進料管被引入一個出口，以送入打印頭。在金屬塊上，這些管子被連接到兩個出口：一個用于金屬絲，另一個用于陶瓷脫模材料。只需擰下一顆螺絲，就能更換打印塊。

?材料管： 專用材料管確保金屬絲和復(fù)合絲之間不會交叉污染

只需卸下兩個螺絲，就可以更換 FX10 打印頭

除了打印引擎的三個部件外，還需要更換一些輔助部件，包括打印紙、清洗倉和軸支架。整個更換過程大約需要 15 分鐘，之后機器會進行一個小時左右的校準程序。

使用 FX10，您可以在兩個小時內(nèi)完成金屬和復(fù)合材料打印之間的轉(zhuǎn)換。金屬打印部件仍需使用 Markforged 提供的相同輔助設(shè)備進行清洗和燒結(jié)。

成 品

FX10 有兩種配置： 復(fù)合型和金屬 + 復(fù)合型。復(fù)合配置包括打印機，而金屬 + 復(fù)合配置包括打印機（在復(fù)合配置中，還包括 FX10 金屬套件、Wash-1和Markforged 燒結(jié)爐）。僅購買復(fù)合型 FX10 的用戶可通過購買金屬套件、清洗-1 和燒結(jié)爐獲得金屬功能?，F(xiàn)有 Markforged 金屬 FFF 功能（通過金屬 X）的用戶可以購買帶金屬套件的 FX10，以升級其金屬功能。

FX10 將與我們現(xiàn)有的所有柔性金屬絲兼容： 除傳統(tǒng)材料外，我們還將在 FX10 上獨家發(fā)布一種新的金屬絲：316L。這種高度耐腐蝕的不銹鋼適用于食品飲料、海事和其他行業(yè)。

FX10 金屬和復(fù)合材料應(yīng)用

作為第一臺既能進行復(fù)合材料打印又能進行金屬打印的 FFF 打印機，F(xiàn)X10 是第一臺能夠涵蓋所有制造應(yīng)用的設(shè)備。金屬打印和復(fù)合材料打印是高度互補的，可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢。

復(fù)合材料的優(yōu)勢在于

?大型部件： 金屬 FFF 具有燒結(jié)工藝固有的零件尺寸限制。如果零件尺寸大于 15 厘米，復(fù)合材料印刷通常是更好的解決方案。

?符合設(shè)計要求： 復(fù)合材料和塑料零件可在加載條件下設(shè)計成屈服或彎曲，是許多夾具的理想選擇。

?無磨損表面： 復(fù)合材料不會產(chǎn)生摩擦，這在處理易碎材料時是絕對必要的。

?成本低、速度快： 與金屬 FFF 的 3 步工藝相比，復(fù)合材料打印生產(chǎn)零件的速度更快，成本更低。

?更嚴格的公差： 雖然金屬可以進行后加工，但復(fù)合材料機器在打印時提供的公差遠比金屬要嚴格得多。

金屬的優(yōu)勢

?強度和硬度： 復(fù)合材料強度高，但不銹鋼和工具鋼的強度只有金屬才能達到。同樣，金屬的硬度也比打印出來的復(fù)合材料要高，有些金屬還可以進一步硬化。

?耐熱性： 對于在 200 oC 以上環(huán)境中工作的部件，金屬是唯一的選擇。

?耐磨性： 金屬不僅硬度高（而且可硬化），而且耐磨性也遠優(yōu)于需要反復(fù)加工的部件。

?可加工性： 金屬零件可加工成嚴格的公差或鏡面表面。

?導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性： 銅具有獨特的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，適用于有特殊要求的零件。

復(fù)合材料可以解決很多問題，但有時您只需要金屬。

這些高度互補的優(yōu)勢體現(xiàn)在三個方面：共享應(yīng)用、獨特應(yīng)用和混合應(yīng)用。

在某些應(yīng)用中，例如末端工具，復(fù)合材料和金屬因不同的原因而表現(xiàn)出色。復(fù)合材料 EOAT 可以是無摩擦夾具和真空工具，而金屬 EOAT 通常是用于大批量生產(chǎn)的生產(chǎn)型夾具。擁有這兩種技術(shù)可以將應(yīng)用范圍擴大到更多的零件。

在其他情況下，復(fù)合材料或金屬的特定屬性使工程師能夠獲得特定的應(yīng)用。對于復(fù)合材料而言，一個優(yōu)質(zhì)的例子是工廠輔助設(shè)備：有效運行生產(chǎn)線所需的大量支架、安裝件、導(dǎo)軌和夾具。這些部件都很重要，但卻得益于復(fù)合材料打印的低成本和高速度。簡而言之，它們不需要使用金屬。在金屬方面，高溫工具（如釬焊夾具）只有在金屬打印的情況下才能使用。

最后，混合應(yīng)用使工程師能夠在單一組件中利用金屬和復(fù)合材料的互補優(yōu)勢，創(chuàng)造出性能更強的高度優(yōu)化工具。采用復(fù)合材料工具體和金屬耐磨墊的臂端工具就是一個很好的例子。在這些工具中，復(fù)合材料工具體成本低、強度高、生產(chǎn)速度快，而金屬耐磨墊則具有硬度和耐磨性。通過使用這兩種材料，可以為特定應(yīng)用定制工具，這是其他制造技術(shù)無法實現(xiàn)的。

基本原則

FX10 作為一臺僅用于復(fù)合材料的設(shè)備，已經(jīng)是一臺出色的領(lǐng)先設(shè)備。增加了金屬功能后，它成為了一臺真正具有變革意義的制造設(shè)備：第一臺能夠在工廠車間制造金屬和復(fù)合材料部件的 FFF 設(shè)備。我們相信它是工廠車間最通用的工具。