Fraunhofer IKTS開發多材料噴射3D列印技術，可製造陶瓷、金屬等材料

2020-09-04 3D科學谷

德國Fraunhofer 陶瓷技術與系統研究所（Fraunhofer IKTS）開發了一種多材料噴射3D列印系統（Multi Material Jetting,MMJ）。MMJ 3D列印技術目前一次最多可列印四種不同的材料，包括金屬、陶瓷這樣的高性能材料。

這一技術能夠在一次列印過程中將不同材料整合至一個零件，意味著增材製造零件可以具有多樣化的屬性和功能，該技術將為高度集成多功能組件的製造打開新的大門。

多材料、多屬性、多功能

MMJ 3D列印系統所使用的材料為漿料，陶瓷粉末或金屬粉末均勻分布在熱塑性粘結劑中。列印時漿料被加載到微劑量系統（MDS）中，並在約100攝氏度的溫度下融化，產生能夠以非常小的液滴釋放的物質。

多材料噴射3D列印系統。©Fraunhofer IKTS

FraunhoferIKTS的研究人員還開發了相應的軟體程序，來確保製造過程中液滴沉積的精確定位。微劑量系統以計算機控制的高精度過程運行，將液滴逐一沉積在正確的位置，逐漸形成逐滴堆積的零件，液滴沉積速度達1000滴每秒，高度達60毫米每秒。液滴尺寸在300至1000μm之間，可形成的沉積層高度在在100至200μm之間。當前可以製造的零件的最大尺寸為20×20×18釐米。

每秒高達1000滴的高精度材料沉積。©Fraunhofer IKTS

在這一過程中，關鍵因素是列印漿料的定製配料，確定合適的劑量是確保增材製造的最終產品在隨後的熔爐燒結過程中具有所需性能和功能的關鍵，包括強度、導熱率和導電率等性能。

微計量系統示意圖。©Fraunhofer IKTS

應用

Fraunhofer IKTS表示，新的MMJ 3D列印系統可用於製造高度複雜的零件，例如由陶瓷製成的衛星推進發動機中的點火系統。衛星發動機燃燒室的溫度非常高，陶瓷材料具有良好的耐熱性，是製造這類組件的理想材料。MMJ 3D列印系統可用於生產直接集成在發動機內的點火系統。該點火系統中的導電和絕緣區域被集成在一個非常堅固的組件中。

在這種情況下，MMJ 3D列印工藝需要三個定量給料系統：一個用於製造組件的支撐材料，在後續的燒結過程中會被分解；另一個用於製造導電組件；第三個用於製造電絕緣組件。

根據 Fraunhofer IKTS，MMJ 系統不僅適用於製造多功能組件，還適用於更多的應用。例如，用於製造硬質合金零件的毛胚，由於3D列印的硬質合金零件已非常接近最終產品的輪廓，因此與傳統方法相比需要的後加工更少。

驗證和商業化

Fraunhofer IKTS 已通過前期項目證明了該技術可以在實踐中使用，並且具有可擴展性。下一步他們將驗證該技術在工業中的應用。Fraunhofer IKTS還可以幫助行業客戶開發過程監控和自動化所需的材料和軟體。

3D科學谷Review

根據3D科學谷的市場觀察，MMJ 技術與更早出現的另外一種基於材料噴射的金屬、陶瓷3D列印技術-納米射流技術頗具相似之處。以色列Xjet公司基於專利的納米射流技術，開發了兩種3D列印系統，一種是陶瓷，一種是金屬。

Xjet 陶瓷3D列印技術。來源：3D科學谷

Xjet3D列印設備中配有噴墨列印系統，包括：能夠在列印過程中相對於彼此移動的兩個或更多的列印單元；具有一個或多個列印頭的列印單元共同形成了頭部設置；以及控制器用以控制所述列印單元的移動以在列印過程中動態地改變所述頭部設置。該系統每秒鐘噴射出上千滴「油墨」，聽起來有點像大幅面數碼列印以及紡織品的列印，Xjet的特別之處在於其噴射頭多次經過相同區域，每次具有小的偏移，使得每個噴嘴在若干略微不同的位置噴射。因此，給定噴嘴所形成的列印區域會與一個或多個其它噴嘴的列印區域重疊。由於相同區域由多於一個的噴嘴列印，因此這些重疊的列印區域可以用來減輕噴射不足或完全不噴射的缺陷噴嘴的影響。因此，使用這種具有重疊列印區域的多次通過式噴射可以使得系統即使在具有若干缺陷噴嘴的情況下仍能夠形成高質量的列印。

納米射流3D列印技術中的另一關鍵技術是專有材料。材料是一種納米級粒子構成油墨，納米顆粒均勻的懸浮在列印油墨中，在高溫下粘結在一起，經過後期的燒結處理，達到緊緻的內部結構和光潔的表面質量。

Xjet 開發的其中一種材料也可以面向硬質合金刀具製造。這是一種碳化鎢/鈷油墨組合物，包括作為載體起作用的液體媒介物，作為亞微米顆粒、納米粒子的碳化鎢(WC)和鈷(Co)。鈷也可以在油墨中以前驅體的形式存在，例如可溶解的有機鈷化合物、鹽或絡合物。列印完成後，生坯被送去經受燒結過程，在真空和低溫度(幾百攝氏度)下加熱，其中有機材料被除去(脫結合階段)，隨後是在接近於Co的熔點的溫度進行的液相燒結。在燒結之後，可達到鎢鈷硬質合金切削刀具所需要的機械強度和硬度。

MMJ 3D列印技術將材料噴射工藝拓展至金屬、陶瓷等高性能材料的多材料增材製造領域，旨在在同一零件中集成多種材料、多種屬性、多種功能。對於該技術為複雜功能集成零件製造帶來的影響，以及如何在列印完成後的燒結過程中同時處理多種對燒結溫度要求並不相同的材料，3D科學谷將保持關注。

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