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3D新聞

粘結(jié)劑噴射3D打印技術的未來發(fā)展與市場運用

3D打印商情 來源:3DScienceValley2020-03-17 我要評論(0 )   

  粘結(jié)劑噴射3D打印技術(binder jetting)是由麻省理工的Ely Sachs與Mike Cima在1993年研發(fā)的,該技術在噴墨打印機基礎上,衍

  粘結(jié)劑噴射3D打印技術(binder jetting)是由麻省理工的Ely Sachs與Mike Cima在1993年研發(fā)的,該技術在噴墨打印機基礎上,衍變?yōu)閷⒄辰Y(jié)劑噴射到塑料粉末床上。然而,很快這種粘結(jié)塑料粉末的技術就不流行了,取而代之的是粘結(jié)砂子和金屬。


  粘結(jié)劑噴射3D打印技術具有工業(yè)級效率、速度快、設備成本低、無需額外支撐等特點,再加上允許大尺寸打印、多材料打印(砂子、PMMA材料、金屬材料)適應于批量生產(chǎn)的特點,使其成為投資者在3D打印領域投資的熱門技術。IDTechEx預測到2025年將會有37,000臺粘結(jié)劑噴射設備,這意味著粘結(jié)劑噴射3D打印技術將迎來新的發(fā)展。


  本文作者從制造原理入手,分析了粘結(jié)劑噴射3D打印技術的特點,目前已經(jīng)投入該技術設備研發(fā)的代表性企業(yè)及其他們的技術發(fā)展情況。粘結(jié)劑噴射3D打印技術的原理是通過材料噴射和燒結(jié)工藝的相互結(jié)合來生產(chǎn)密度金屬零部件。


  關鍵點1:粘結(jié)劑是質(zhì)量關鍵。在噴射階段,粘結(jié)劑對不同粉末材料粘結(jié)的穩(wěn)定性和后期燒結(jié)工藝是否收縮變形起到了至關重要的作用。可以說粘結(jié)劑的化學技術就是粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術的關鍵核心。


  關鍵點2:多噴頭提升打印速度。由于其是多噴頭噴射粘結(jié)劑的特點,相對于目前市場上流行的單噴頭的激光相關的3D打印技術而言,其制造速度是后者的數(shù)百倍,效率大大提升。


  關鍵點3:使用材料范圍廣。由于使用粘結(jié)的方式,打印時不需要加熱,后期燒結(jié)去除粘結(jié)劑時才涉及溫度變化。對材料要求的降低,在理論上使得該技術適合于很多不同的材料的打印。


  關鍵點4:燒結(jié)工藝。燒結(jié)工藝是保證質(zhì)量的關鍵之一,工藝過程要有效去除粘結(jié)劑,同時保證形態(tài)不發(fā)生改變,這與材料的熱處理工藝息息相關。


  關鍵點5:粉末支撐。粘結(jié)劑噴射技術在打印環(huán)節(jié)沒有溫度變化,材料內(nèi)應力小,可以依靠粉末實現(xiàn)自支撐,不需要額外的支撐設計,實現(xiàn)材料的100%利用和一次多量打印,這點是有別于其他增材制造方法的核心之一。同時粉末在完成一次打印后,沒有溫度變化引起的粉末粘合,不需要清理和篩分,可直接回收利用,這點是有別于其他增材制造方法的核心之一。



  關鍵點6:環(huán)境要求低。粘結(jié)劑噴射技術在打印環(huán)節(jié)沒有溫度變化和化學變化,金屬粉末不會因為高溫而氧化,所以普通打印環(huán)境就可以持續(xù)打印,這大大降低了設備的設計要求。


  綜合以上6點,這項技術才具有了:高效率,低成本,適合批量化生產(chǎn)的特點。但是由于粘結(jié)劑化學技術還不是非常成熟,加之材料的粉末質(zhì)量問題,這項技術所制造出的產(chǎn)品精度目前還不能與激光相關3D打印技術相媲美。


  當前在粘結(jié)劑噴射3D打印技術方面發(fā)展的代表企業(yè)包括:voxeljet-維捷、Digital metal、GE 、惠普(HP) 、 Desktop metal 。筆者在這里對這些企業(yè)的基本情況和在該技術方面的研發(fā)與應用情況做了梳理。voxeljet-維捷是全球領先工業(yè)級3D打印系統(tǒng)制造商之一,可實現(xiàn)產(chǎn)品的無?;a(chǎn)。


  維捷在3D打印砂芯制造應用方面積累有著自己豐厚的經(jīng)驗與市場運用。在德國、美國、英國、印度和中國均有自己的分支機構(gòu),其VX200-4000系列5種粘結(jié)劑噴射3D打印設備,包含了從實驗室級別到4米級目前世界最大的噴射成型技術3D打印機,形成系列化的產(chǎn)品,設備應用領域廣泛。


  以voxeljet-維捷的VX4000設備分析,打印頭具有超過25000個可單獨控制的噴嘴和1100毫米的打印寬度,打印機的打印速度可達每小時120升。在航空航天部件等許多應用中,現(xiàn)在可以使用粘結(jié)劑噴射技術與金屬鑄造相結(jié)合的方式,經(jīng)濟地構(gòu)建幾乎任何尺寸的零件:例如大型機械結(jié)構(gòu)框架,以及車輛核心零部件:泵體、閥體、排氣歧管、殼體、以及能源行業(yè)的閉式葉輪。這些是與復雜、大尺寸、高精度、難加工緊密聯(lián)系的技術高地。


  Digital metal 是瑞典金屬粉末制造商 Hgans集團公司旗下的企業(yè),Digital metal推出了粘結(jié)劑噴射技術的金屬增材制造設備:DMP 2500。這款機器使用金屬粉末,能進行連續(xù)生產(chǎn)。


  打印速度高達100立方厘米/小時,打印層厚為42微米。它有一個較大的構(gòu)建體積,為2500立方厘米,單次可以打印多達50000個的零件。DM P2500的其他技術規(guī)格包括:35分微米的XY分辨率,處理前的平均表面粗糙度為Ra6微米。這些數(shù)字意味著打印機可以生產(chǎn)出“具有醫(yī)療級平滑度的復雜結(jié)構(gòu)”,即使打印件的尺寸很小。DMP 2500能處理幾種材料,因為打印后還會進行燒結(jié)。使用粘結(jié)劑為環(huán)氧樹脂,由噴嘴根據(jù)部件的幾何形狀精確地噴射粘合劑,層層粘結(jié)材料,該過程一直持續(xù)到零件完成。整個打印過程以受控的方式進行。最后,在燒結(jié)爐中將粘結(jié)劑燒掉以獲得純粹的金屬零件。


  Digital metal迄今已有三種材料包括316L和17-4PH不銹鋼,以及Ti6Al4V鈦合金。正在驗證其他材料,將來會有更多的材料被納入進來,包括銀和金,因為粘接劑非常適合珠寶制造。目前的訂單中最大的有每年大約30000個零件,較小批次有3000至3500個零件的制作需求。其中包括瑞士制表廠Montfort Watches,通過粘結(jié)劑噴射3D打印技術制作不銹鋼表盤。

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