上篇 l 一文看懂面向規模製造的粘結劑噴射高速金屬3D列印技術態勢與挑戰

2021-02-23 3D科學谷


金屬在3D列印領域，以Binder Jetting-粘結劑噴射金屬3D列印技術為代表的間接金屬3D列印以高速，低成本獲得了業界的高度關注。3D科學谷將通過上下兩篇文章為谷友分享粘結劑噴射這項技術的發展態勢與挑戰。

▲惠普金屬3D列印

趨勢中的

挑戰

拿GE增材製造的粘結劑噴射金屬3D列印來說，包括美國西屋制動、康明斯都成為首批採用GE間接金屬3D列印技術的合作夥伴。康明斯公司計劃在其生產過程中加速使用3D列印-增材製造技術，更全面的實施工業4.0技術，以改善其工作流程中的自動化，雲計算和其他過程。

這些企業將增材製造過程最初用於生產小批量零件，並逐步探索如何將該技術整合到大批量生產中。

不過，在商業化的進程上，這些企業由於起步時間以及技術開發與偏重不一樣，其市場化的時間節點也相對拉開了間隔。ExOne和Digital Metal已經向市場上銷售了他們的粘結劑噴射金屬3D列印系統（ExOne迄今為止銷售了該領域的大多數系統），並且還提供3D列印金屬零部件的服務，3DEO也是提供3D列印金屬零部件的服務。Desktop Metal，HP-惠普，Stratasys，GE和3DEO尚未發售市售的粘結劑噴射金屬3D列印系統。

▲Binder Jetting噴射金屬3D列印

來源：Digital Alloys

 工藝

在Binder Jetting粘結劑噴射金屬3D列印過程中，大致的工藝過程是：

首先用滾筒將一層細金屬粉末鋪展在構建板上。然後，噴墨列印頭選擇性地將粘結劑沉積到粉末上，將層粘結在一起。在創建每個層之後，構建板向下移動並且下一層粉末在前一層上鋪展（典型的層厚度為50-100微米）。重複該過程直到在一定體積的粉末中產生完整的零件。

▲Binder Jetting金屬3D列印

處於3D列印狀態的零部件被稱為「綠色」部件，因為它們在變得緻密之前需要後處理（包括脫脂和燒結）。

▲Desktop Metal金屬3D列印

Binder Jetting粘結劑噴射金屬3D列印可能看起來相對簡單，但它是一個充滿挑戰的過程，有許多因素會對質量造成嚴重破壞，特別是在高速列印狀態下，尤其是需要注意以下的關鍵變量：

1）一致的粉末分布

2）高粉末填充密度

3）精確的粘結劑沉積

4）粘結劑飽和度

5）列印過程中粘結劑的乾燥

精細地散布和壓實細金屬粉末並非易事，這其中需要許多精確的過程來快速和可重複地完成該操作。此外，確保均勻的鋪粉只是重要的過程控制的一部分，還需要控制用於粘結劑噴射的噴墨列印頭必須每秒精確地輸送數千個微小液滴（10-80微微升）。在列印頭速度高達1米/秒甚至更快的液滴速度時，液滴必須準確地撞擊粉末而不會發生飛濺。

▲幾種金屬3D列印的特點

此外，噴墨印表機因會發生堵塞而臭名昭著，尤其是粘結噴射過程中使用的是高粘度粘結劑。結果，需要對噴頭進行清潔操作。

最後，在下一層可以成功地在前一層上面滾動鋪粉之前，前一層的粘結劑必須獲得充分的乾燥。

▲幾種金屬3D列印的特點

Digital Metal和3DEO針對更小，更高解析度的零部件列印，速度約為100毫升/小時，Desktop Metal聲稱實現「高達12,000毫升/小時」的速度。不過根據3D科學谷的市場觀察，對於Binder Jetting粘結劑噴射金屬3D列印，此指標可能會產生誤導。因為列印速度實際上跟零件的設計有關，假設3D列印的是100％的填充密度（即，3D列印單個固體塊，那麼這樣的速度是沒有意義的）。客觀上來說，最高速度取決於客戶的具體應用和質量要求。

 材料

Binder Jetting粘結劑噴射金屬3D列印技術主要使用兩種材料：金屬粉末和液態粘結劑。

金屬粉末方面，Binder Jetting粘結劑噴射金屬3D列印技術使用與金屬注射成型（MIM）相同的精細金屬粉末，這些細金屬粉末的粒徑約為5-45微米。粘結劑的化學技術是Binder Jetting粘結劑噴射金屬3D列印技術區分其解決方案的領域之一。

又快，又好，這永遠是相互矛盾的挑戰，關於後處理中Binder Jetting粘結劑噴射金屬3D列印技術遇到的局限性與挑戰，3D科學谷將在下篇文章中分享，敬請關注。

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