下篇 l 一文看懂面向规模制造的粘结剂喷射高速金属3D打印技术态势与挑战

| 3DScienceValley · 2019/07/28

金属在3D打印领域，以Binder Jetting-粘结剂喷射金属3D打印技术为代表的间接金属3D打印以高速，低成本获得了业界的高度关注。3D科学谷通过上下两篇文章为谷友分享粘结剂喷射这项技术的发展态势与挑战。

烧结中的金属零件。来源：Desktop Metal

趋势中的挑战

Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术的后处理有三个目标：

从粉末床中提取“生坯”零部件并对其进行脱粉，而不损坏零件本身。
烧结零部件将其缩小到可接受的密度和几何精度。
精加工零件到要求的精度。

显微镜下的3D打印金属零件。来源：惠普

刚打印完成的零件在体积上为25-50％粘结剂和空气（参见上面的微观横截面）。刚打印完成的零件就像脆性海绵状材料。在粘结剂被有效去除并且“生坯”零件被烧结成更高的密度的时候，这其中包含了诸多后处理的挑战。

首先需要将完整的3D打印零件从机器中取出并置于烘箱中以蒸发粘结剂的水并交联聚合物组分以增加强度（一些打印机在打印过程中执行该步骤）。这通常需要至少几个小时，大致与3D打印时间成正比例。

当使用需要额外处理的支撑/定位器材料的时候，常规的支撑/定位器策略和技术会导致零部件加工的失败，例如支撑/定位器结构发生变形或收缩的时候会影响到零部件的结构，这时候就需要十分匹配的策略使得支撑/定位器结构不仅仅能起到加工过程中的支撑作用，还在随后的后处理中不影响零件的精度。

根据3D科学谷的市场研究，Desktop Metal与2018年申请了可分离支撑/定位器技术专利，专利中提到了一种在零部件和支撑/定位器结构之间制造界面层，以便在烧结期间抑制支撑结构和相邻的零部件表面之间的结合。

支撑/定位器由陶瓷材料单独制造，定位器的生产成本更高，更耗时，但它们可重复使用，因此可以节省大批量生产的时间和材料成本。必须仔细设计支撑/定位器，以在烧结过程中支撑零件，以补偿零件收缩和热应力转移。

由于烧结过程中发生的零件收缩，需要通过补偿以解决失真。正在开发的软件工具可以更好地模拟和预测补偿方案，然后相应地调整零件几何形状。然而这不是一个简单的解决方案，有时候只对特定的几何形状有意义。

根据3D科学谷的市场观察，拿Desktop Metal举例，实时仿真方面Desktop Metal与多物理场模拟软件开发商ANSYS合作紧密。ANSYS的Discovery Live平台允许对CAD模型进行更改，以显示流体或空气流量如何实时受到影响，并且任何人都可以使用，而不仅仅是专家。Discovery Live可以让工程师立即检查其设计变更的影响，这个平台支持流体、结构和热模拟应用。这使得设计师可以通过交互的方式探索简单和复杂变化的影响，迭代变得更加快速便捷。

烧结过程中，零部件在支架上通过支撑/定位器来固定，并放置在具有惰性气氛的炉子中。首先进行脱粘循环，烧掉粘结剂的聚合物组分，温度通常在200-600℃范围内。必须从部件中完全除去所有粘结剂，否则粘结剂中的残余碳将对烧结过程产生负面影响并损害最终零部件性能。

去粘结是一个缓慢的过程，因为粘结剂必须通过微小的多孔材料结构蒸发。如果施加太多的热量和能量，则金属颗粒基质受到干扰，导致最终部件质量受到不利影响。粘结剂以约1厘米/小时的速度从外表面移除，因此较厚的部分可能需要数天才能解除粘结。

然后是第二次烧结循环，熔化温度约为金属熔化温度的80％（不锈钢为1200-1400℃）。烧结缓慢收缩并使零件致密度达到93-99％的密度。与去粘结一样，烧结过程可能非常耗时，特别是对于较大，较厚的零件。

Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术与几乎所有其他金属3D打印工艺相比都是独一无二的，因为在3D打印过程中不会产生大量的热量。这使得高速打印成为可能，并避免了金属3D打印过程中的残余应力问题。

Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术将热过程转移到烧结步骤，这使得更容易管理热应力，因为烧结温度低于其他类型的金属3D打印工艺中所需的完全熔化温度，并且热量可以更均匀地施加。然而，这并不能完全消除温度梯度和产生残余应力的挑战。

在炉子中，零部件的较薄部分将比较厚的部分加热和烧结得更快，这些部分将应力引入厚度变化的零部件中。此外，零部件烧结后的冷却进一步放大了这种效果。这些热梯度和应力会使部件翘曲和损坏，并可能产生影响材料特性的非均匀晶粒结构。

管理和补偿烧结阶段发生的大量收缩是Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术面临的最大挑战之一。零件在炉内收缩30-40％，线性收缩15-20％。如果零件很小并且壁厚均匀，那么收缩是可以预测的。然而，不同厚度的大型零部件的烧结过程会对几何形状产生非常复杂的问题。根据3D科学谷的市场研究，烧结收缩目前严重限制了Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术适用的几何形状和应用类型。

此外，间接金属3D打印，除了Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术，还有一种通过普通的桌面级金属3D打印机来打印金属丝材（含塑料成分）的制造工艺。关于这种工艺的发展趋势，3D科学谷将保持关注。

视频：通过普通桌面3D打印金属丝材。来源：巴斯夫