从技术角度解析粘结剂喷射技术的优势与局限 

由 3D打印联盟智库 发布于 2020-11-10 09:47 

324 0 0
编者按:本文来自微信公众号“3D打印联盟智库”(ID:iPrinting)作者:晚风饮墨香,3D打印资源库经授权发布。

最近很多读者开始关注并在后台留言,让从技术角度分析一下粘结剂喷射3D打印技术,本着“科技制造美好”的愿景,本期概述粘结剂喷射3D打印技术,分析该技术存在的优势与局限。

技术简介

粘结剂喷射3D打印技术是在喷墨打印机的技术原理基础之上,由麻省理工Ely Sachs与Mike Cima于1993年研发成功,开始使用的材料为塑料粉末,经发展衍变,材料拓宽至砂子,金属粉末及PMMA材料。
从技术角度解析粘结剂喷射技术的优势与局限 (1).jpg
与SLM技术不同的是,粘结剂喷射3D打印技术具有成形速度快,无支撑成形,成形幅面大等特点,这让人们看到了3D打印技术批量化制造的可能性,因此很快受到资本投资市场的青睐,呈现出迅猛发展的态势。

技术原理与特点

粘结剂喷射3D打印技术原理与我们常用的办公室二维打印机类似,只是二维打印机喷射的是墨水,而粘结剂喷射打印技术通过喷头喷射粘结剂,这是一种化学试剂,所使用的材料也由白纸变成了塑料,陶瓷,砂子,金属粉末或是PMMA材料。之后通过不断地叠加成形,最终形成完成的零件实体。对于金属材料而言,配合后期的脱脂烧结工艺来制备最终尺寸的零部件。下面我们就以金属粘结剂喷射3D打印技术为例来分析它的技术优势与局限:
从技术角度解析粘结剂喷射技术的优势与局限 (2).jpg
(1)粘结剂。粘结剂的研制是该技术的核心之一,不同材料需要粘结的强度存在差异,且后期烧结温度与时间也各不相同,所以这就需要针对不同的金属材料研发合适的粘结剂,我们把粘结剂的研发比作SLM材料工艺参数的开发,是控制成形质量的关键。粘结剂的研发要遵循结合强度适宜,后期好去除等原则。

(2)成形效率。粘结剂喷射3D打印技术属于面成形,成形效率取决于打印喷头的数量,原则上讲是喷头数量越多成形效率越高,但是喷头数量越多会带来喷射系统设计复杂,喷射量大小控制难度提升,最终导致设备成本大幅提高等,因此,喷头数量的选择与成形效率要匹配。当喷头数量增加带来的设备成本增加值低于成形效率造就的价值增加值时,可以通过增加喷头数量来提高成形效率,反之则无效。
从技术角度解析粘结剂喷射技术的优势与局限 (3).jpg
(3)材料选择。理论上讲该技术适合的材料类型比SLM要多,因为不涉及激光吸收率、材料熔凝等问题,所以有很多非金属材料非常适宜,但是实际上,截止到现在,根据统计额的可用于粘结剂喷射3D打印技术的金属材料只有10多种。但是需要注意的是在材料选型时一定要规避与粘结剂有化学活性的材料,这一点对金属材料选型有着不小的约束。

(4)脱脂烧结工艺。对于金属材料而言,后期的脱脂烧结工艺是质量控制的要点,但也是控制的核心难点。这需要考虑温度,时间,材料与零件结构等综合因素。

首先是脱脂,借鉴MIM的脱脂烧结工艺,采用加酸的催化脱脂方式可以去除一定比例的粘结剂;其次是烧结,烧结不仅仅是材料的融合,也是脱脂的一部分。

烧结工艺最关键的是零件的收缩,这与零件的大小,薄厚及结构密切相关。目前,粘结剂喷射3D打印技术所做的零件结构还是处于结构相对简单,成形尺寸有限的范围,怎么衡量这个有限尺寸?一个拳头。一般零件尺寸比拳头大的会因脱脂受限和各个方向收缩不均匀而无法采用此项技术,因此这也是此项技术的关键局限——无法成形中大型零件。

此外是脱脂温度与材料熔点、物理特性也密切相关,铝合金因烧结时易发生燃烧而无法进行有效脱脂。

另外一个限制就是脱脂后的性能。一般脱脂后材料的致密度不会很高,导致性能较差,尤其是屈服强度不高,举例说明:316L烧结后屈服强度在200MPa左右。不过可通过引入外来元素在脱脂过程中进行熔渗,使得材料达到全致密,但这也会对材料性能造成影响,形成一种类似的双合金材料。
从技术角度解析粘结剂喷射技术的优势与局限 (4).jpg
(5)成形过程。成形过程可分为成形环境与成形支撑,粘结剂喷射3D打印技术因不存在温度变化,因此在常温与空气中即可成形,也无需设计专用支撑,采用粉末材料自支撑可实现多零件的重复成形。由于成形过程的简单性,粘结剂喷射3D打印技术的材料利用率很高,且重复使用率也得到很大提升,只要将剩余材料过筛后即可再次利用。

(6)成形精度与表面质量。粘结剂喷射3D打印技术所能达到的成形精度主要取决于后期烧结工艺的控制,但是表面粗糙度不高,以不锈钢为例,Ra保持在6左右。

行业与市场企业

目前,该项技术虽然被看好,甚至出现了红极一时的Destop Metal公司,但是令人遗憾的是,除了在铸造领域被广泛的成熟应用外,其它领域的应用情况尚未明朗,尤其是金属材料的此项技术应用,还远未达到批量使用的成熟度。
从技术角度解析粘结剂喷射技术的优势与局限 (5).jpg
事实上,无论是金属粘结剂喷射还是SLM技术,其发展历程如出一辙。凡是涉及到金属材料直接成形的3D打印技术都会遭遇到发展阻碍和应用瓶颈,这种阻碍我们在前文中 《金属3D打印火了这么多年,为什么产业应用还是举步维艰?》 谈到过,需要时间慢慢积累,慢慢突破。

或许你会疑惑,为什么铸造行业会很成熟的应用呢,无论是粘结剂喷射技术还是SLS技术?答案是:3D打印+铸造的模式本质上属于传统铸造模式。虽然砂型与蜡型制作会使用新的3D打印技术制作,但是这并未直接影响到金属零件的成形方式,依然是铸造的方式,本质上依然属于传统制作方法,只是3D打印的砂型与蜡型相比于传统制作方法可能更复杂一些,因此零件最终所使用的依然是传统铸造相关的金属材料与标准。但是金属粘结剂喷射打印技术与SLM技术都是直接形式的金属粉末成形,这与传统的制作方式存在本质的区别,所以相关的规范标准也不再适用,这也造成了应用发展滞缓的结果。

从长远来看,只有真正开发出适用于直接形式的金属3D打印包括材料,工艺制造标准,检验检测标准,质量控制流程等相关标准规范后,才会达到一个真正实现应用的新阶段。
注:引用图片均源自网络

本文经授权发布,不代表3D打印资源库立场。如若转载请联系原作者。
声明:3D打印资源库(3dzyk)内网友所发表的所有内容及言论仅代表其本人,无论文章是转载还是原创都不代表3D打印资源库(3dzyk)观点和立场;如有内容和图片的著作权异议,请联系本站作侵删。
  • 从技术角度解析粘结剂喷射技术的优势与局限

    从技术角度解析粘结剂喷射技术的优势与局限
  • 提高效率,3D打印设备的平台化设计思维

    提高效率,3D打印设备的平台化设计思维
  • 从技术角度分析金属3D打印加工服务体系如何建立

    从技术角度分析金属3D打印加工服务体系如何建立
  • 金属3D打印火了这么多年,为什么产业应用还是举步维艰?

    金属3D打印火了这么多年,为什么产业应用还是举步维艰?
  • 增材制造(3D打印)究竟何时经历洗牌大潮?

    增材制造(3D打印)究竟何时经历洗牌大潮?
  • 以史为鉴:3D打印产业化发展中带来的珍贵经验

    以史为鉴:3D打印产业化发展中带来的珍贵经验
B Color Smilies
从技术角度解析粘结剂喷射技术的优势与局限 
联系
我们
快速回复 返回顶部 返回列表