了解磁铁 3D 打印丝：材料、特性和应用

什么是磁铁 3D 打印？

磁铁 3D 打印是利用铁填充塑料丝来 3D 打印出金属外观的零件。使用这种细丝进行打印的工艺与粉末金属打印技术（例如 DMLS 和 SLM）完全不同，后者会熔化并熔合大块金属粉末来构建金属零件。相比之下，使用磁性铁丝打印的成品零件仍然是带有金属填料的塑料基体。虽然用磁铁丝打印的部件具有金属外观，但它们的强度和耐用性几乎与母体 PLA 聚合物相同。使用这些特殊细丝打印的零件可能比标准 PLA 更脆。使用这些细丝打印零件将导致成品零件具有铁磁性，这意味着磁性材料会粘附在零件上。 有关更多信息，请参阅我们的 3D 打印指南。

磁性铁丝的成分是什么？

磁铁3D打印耗材的成分取决于耗材制造商。然而，一般来说，灯丝中磁铁的百分比约为灯丝总体积或重量的5-15％。剩余的体积或重量百分比包括基础热塑性材料。铁含量越高，表面金属感越强，铁磁性能也越强，但打印作业会更加困难，部件也会变脆。除了PLA、ABS、Nylon外，还可以填充铁粉制成磁丝。

磁性铁丝有什么特性？

尽管具有金属外观，但用磁铁丝打印的零件与实际金属的许多特性并不相同。下面的列表描述了磁铁丝的一些特性：

1. 他们生产具有金属光泽的零件。
2. 它们具有铁磁特性（铁和其他磁性材料会被磁铁 3D 打印丝打印的部件吸引）。
3. 它们的强度和性能（机械、热、电、化学、生物降解程度和可回收性）与主要热塑性基体材料比添加的金属更相似。
4. 它们的密度比基础聚合物长丝材料高出约 1.5 倍。
5. 金属粉末颗粒具有磨蚀性，与纯塑料丝相比，会增加打印机挤出喷嘴的磨损率。
6. 由于铁粉增加了灯丝的密度，因此桥接和支撑能力较差。

磁性铁丝性能比较

下表1显示了各种3D打印耗材的一些属性的比较：

表1：磁性铁填充PLA与PLA与ABS的特性

属性 磁性铁填充PLA 标准 PLA ABS

物业

韧性

磁性铁填充PLA

低

标准PLA

基地

ABS

高

物业

灵活性

磁性铁填充PLA

最小

标准PLA

一些

ABS

更多

物业

密度

磁性铁填充PLA

高达 1.5 x 基础灯丝

标准PLA

基地

ABS

低

物业

外观

磁性铁填充PLA

金属色

标准PLA

光泽亮丽

ABS

光泽亮丽

物业

打印过程中喷嘴磨损

磁性铁填充PLA

更高

标准PLA

标准

ABS

标准

物业

桥接和支持能力

磁性铁填充PLA

较差

标准PLA

好

ABS

好

物业

可生物降解吗？

磁性铁填充PLA

是的

标准PLA

是的

ABS

没有

使用磁铁进行 3D 打印有哪些局限性？

金属填充细丝因难以打印而臭名昭著，它与磁铁细丝没有什么不同。使用磁铁 3D 打印的局限性与打印设置及其对最终零件质量的影响有关。一项挑战是，细丝内的细磁性铁粉颗粒会磨损喷嘴尖端，导致加速磨损。 

另一个限制是磁性铁丝的桥接和悬垂支撑能力较差。这一限制是由于添加金属粉末导致灯丝密度增加所致。 

最后，金属粉末部分会在打印过程中导致堵塞和堵塞。这意味着必须微调和优化打印速度和进纸量、层厚度和回缩距离等打印设置，以找到特定打印的最佳设置。与 PLA 等标准线材相比，磁铁线材打印零件需要更加关注工艺细节，才能获得具有所需质量的零件。

为什么在 3D 打印中使用磁铁？

磁铁 3D 打印丝用于 3D 打印，以创建具有金属外观的零件，无需昂贵的金属 3D 打印机或传统金属制造工艺。雕塑、珠宝、装饰品、道具和复制品等具有逼真金属光泽的零件是磁性铁丝在 3D 打印中最常见的应用。除了装饰性和装饰性部件之外，用这些细丝打印的部件在各种传感器和执行器、小型电机和计算机存储设备中的使用也越来越多。虽然使用磁铁 3D 打印丝可以制造出看起来像铁的零件，但这些零件不具有铁的物理或化学特性。绝不应该使用印有磁性铁丝的部件来代替金属部件，除非该部件是非承重或仅美观的。 

如何在3D打印中使用磁铁？

使用磁铁丝进行打印可能比使用标准丝进行打印更具挑战性，但这并非不可能。下面列出了如何在 3D 打印中使用磁铁的一些最佳实践：

1. 灯丝中存在的小铁粉会磨损并快速磨损黄铜喷嘴。对于金属填充细丝，请使用由硬化钢或不锈钢制成的耐磨喷嘴。定期检查喷嘴的磨损情况。
2. 标准喷嘴的孔口直径为 0.4 毫米。金属颗粒往往会聚集在孔口周围并阻止细丝进给。为防止孔口周围结块，请使用孔口较大（0.5-0.6 毫米）的喷嘴。
3. 由于金属填充长丝比标准聚合物长丝更致密，因此对于给定尺寸的长丝而言，它们更重。当打印说明需要桥接间隙或打印悬垂时，这种增加的重量可能会导致灯丝下垂或断裂。如果可以的话，在使用磁铁 3D 打印耗材时避免打印带有桥或悬垂的零件。
4. 由于金属填充细丝很脆，因此很容易折断或破裂。如果线材打印路径在线轴和挤出机之间有太多尖角，则可能会出现此问题。要解决这个问题，请尽量缩短线轴和挤出机之间的距离——两者越近越好。 
5. 长丝中的金属粉末使挤出机在打印时难以将熔融材料缩回到喷嘴中。这种回缩会导致在特定打印段的开头和结尾处出现材料斑点。优化撤回设置以避免撤回。

磁铁 3D 打印的最佳配置设置是什么？

Protoplant, Inc. 生产一种流行的磁性铁填充灯丝，品牌为 Protopasta。虽然金属填充长丝的打印机设置因制造商而异，但 Protopasta 为其磁铁填充 PLA 长丝推荐的设置可被视为典型设置，并列于下面的表 2 中：

表 2. 磁铁 3D 打印机设置

打印机设置 值

打印机设置

床层温度

价值

环境温度至60℃

打印机设置

喷嘴温度

价值

185-215℃

打印机设置

打印速度

价值

10-20毫米/秒（第一层）； 20-80 mm/s（其余部分）

打印机设置

挤出机风扇转速

价值

最大转速的 10-20%

打印机设置

撤回

价值

最小

打印机设置

层高

价值

0.15-0.20毫米

打印机设置

打印床

价值

使用消失胶、画家胶带或 PEI

最佳磁铁 3D 打印速度是多少？

磁铁填充细丝的最佳 3D 打印速度为第一层 10-20 毫米/秒，所有后续层为 20-80 毫米/秒。在打印开始时使用较慢的打印速度，以确保对打印床的附着力。第一层完成后，应提高打印速度，以防止喷嘴堵塞。

磁铁丝的熔化温度是多少？

磁铁 3D 打印线材的熔化温度与 Protopasta 线材的标准 PLA（180-190 ℃）大致相同，因为实际上只有塑料在熔化，而不是金属粉末。然而，由于金属填充的细丝比未填充的细丝更脆，因此可能需要使用稍高的温度来降低脆性。 

使用磁熨斗打印时是否需要加热打印床？

不需要，使用磁铁填充细丝进行打印时不需要加热床。但它们可能非常有益。较高的床层温度有助于床层粘合，有助于减少打印部件中的残余应力并有助于防止翘曲。床的温度可以与环境温度相匹配或高达 60 ℃。 

3D 打印磁铁的最佳壁厚是多少？

用磁铁丝打印的零件的良好壁厚与其主要基础塑料的壁厚相似。对于磁铁填充PLA，建议壁厚为1.5毫米，绝对最小值为0.8毫米。

3D 打印磁铁的最佳壁密度是多少？

使用磁铁 3D 打印的“良好”填充密度归结为最终打印部件所需的属性。壁或填充密度与所得 3D 打印部件的强度之间存在相关性。如果需要保持高打印速度，请考虑使用较低的填充密度 (15-50%)。由于金属填充细丝的脆性，降低填充密度将导致零件可能容易弯曲和断裂，但高速打印可用于快速验证零件的几何形状和美观性。考虑对功能性、耐用部件使用更致密的填充物 (50-80%)。

3D打印中磁铁和PLA有什么区别？

纯PLA打印耗材与磁铁填充PLA耗材最大的区别在于，磁铁填充PLA具有磁性。与标准 PLA 零件相比，这些金属粉末会导致零件和打印作业更脆，需要更多的微调和关注。磁铁打印零件可能具有金属外观并表现出磁性，但保留了许多与标准 PLA 相同的特性和性能。

摘要

本文介绍了磁铁 3D 打印丝，解释了它是什么，并讨论了在 3D 打印中使用它时需要考虑的不同因素。要了解有关磁铁 3D 打印丝材的更多信息，请联系 Xometry 代表。

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迪恩·麦克克莱门茨

Dean McClements 是机械工程荣誉学士学位毕业生，在制造业拥有二十多年的经验。他的职业生涯包括在 Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace 和 Hyster-Yale 等领先公司担任重要职务，在那里他对工程流程和创新有了深入的了解。

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