下篇 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

2019-07-28     文章出處：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。

燒結中的金屬零件。來源：Desktop Metal
趨勢中的挑戰
Binder Jetting粘結劑噴射金屬3D列印技術的後處理有三個目標：

• 從粉末床中提取「生坯」零部件並對其進行脫粉，而不損壞零件本身。
• 燒結零部件將其縮小到可接受的密度和幾何精度。
• 精加工零件到要求的精度。

顯微鏡下的3D列印金屬零件。來源：惠普


剛列印完成的零件在體積上為25-50％粘結劑和空氣（參見上面的微觀橫截面）。剛列印完成的零件就像脆性海綿狀材料。在粘結劑被有效去除並且「生坯」零件被燒結成更高的密度的時候，這其中包含了諸多後處理的挑戰。
首先需要將完整的3D列印零件從機器中取出並置於烘箱中以蒸發粘結劑的水並交聯聚合物組分以增加強度（一些印表機在列印過程中執行該步驟）。這通常需要至少幾個小時，大致與3D列印時間成正比例。
當使用需要額外處理的支撐/定位器材料的時候，常規的支撐/定位器策略和技術會導致零部件加工的失敗，例如支撐/定位器結構發生變形或收縮的時候會影響到零部件的結構，這時候就需要十分匹配的策略使得支撐/定位器結構不僅僅能起到加工過程中的支撐作用，還在隨後的後處理中不影響零件的精度。
根據3D科學谷的市場研究，Desktop Metal與2018年申請了可分離支撐/定位器技術專利，專利中提到了一種在零部件和支撐/定位器結構之間製造介面層，以便在燒結期間抑制支撐結構和相鄰的零部件表面之間的結合。
支撐/定位器由陶瓷材料單獨製造，定位器的生產成本更高，更耗時，但它們可重複使用，因此可以節省大批量生產的時間和材料成本。必須仔細設計支撐/定位器，以在燒結過程中支撐零件，以補償零件收縮和熱應力轉移。
由於燒結過程中發生的零件收縮，需要通過補償以解決失真。正在開發的軟體工具可以更好地模擬和預測補償方案，然後相應地調整零件幾何形狀。然而這不是一個簡單的解決方案，有時候只對特定的幾何形狀有意義。
根據3D科學谷的市場觀察，拿Desktop Metal舉例，實時仿真方面Desktop Metal與多物理場模擬軟體開發商ANSYS合作緊密。ANSYS的Discovery Live平台允許對CAD模型進行更改，以顯示流體或空氣流量如何實時受到影響，並且任何人都可以使用，而不僅僅是專家。Discovery Live可以讓工程師立即檢查其設計變更的影響，這個平台支持流體、結構和熱模擬應用。這使得設計師可以通過交互的方式探索簡單和複雜變化的影響，疊代變得更加快速便捷。
燒結過程中，零部件在支架上通過支撐/定位器來固定，並放置在具有惰性氣氛的爐子中。首先進行脫粘循環，燒掉粘結劑的聚合物組分，溫度通常在200-600℃範圍內。必須從部件中完全除去所有粘結劑，否則粘結劑中的殘餘碳將對燒結過程產生負面影響並損害最終零部件性能。
去粘結是一個緩慢的過程，因為粘結劑必須通過微小的多孔材料結構蒸發。如果施加太多的熱量和能量，則金屬顆粒基質受到干擾，導致最終部件質量受到不利影響。粘結劑以約1厘米/小時的速度從外表面移除，因此較厚的部分可能需要數天才能解除粘結。


然後是第二次燒結循環，熔化溫度約為金屬熔化溫度的80％（不鏽鋼為1200-1400℃）。燒結緩慢收縮並使零件緻密度達到93-99％的密度。與去粘結一樣，燒結過程可能非常耗時，特別是對於較大，較厚的零件。
Binder Jetting粘結劑噴射金屬3D列印技術與幾乎所有其他金屬3D列印工藝相比都是獨一無二的，因為在3D列印過程中不會產生大量的熱量。這使得高速列印成為可能，並避免了金屬3D列印過程中的殘餘應力問題。
Binder Jetting粘結劑噴射金屬3D列印技術將熱過程轉移到燒結步驟，這使得更容易管理熱應力，因為燒結溫度低於其他類型的金屬3D列印工藝中所需的完全熔化溫度，並且熱量可以更均勻地施加。然而，這並不能完全消除溫度梯度和產生殘餘應力的挑戰。
在爐子中，零部件的較薄部分將比較厚的部分加熱和燒結得更快，這些部分將應力引入厚度變化的零部件中。此外，零部件燒結後的冷卻進一步放大了這種效果。這些熱梯度和應力會使部件翹曲和損壞，並可能產生影響材料特性的非均勻晶粒結構。
管理和補償燒結階段發生的大量收縮是Binder Jetting粘結劑噴射金屬3D列印技術面臨的最大挑戰之一。零件在爐內收縮30-40％，線性收縮15-20％。如果零件很小並且壁厚均勻，那麼收縮是可以預測的。然而，不同厚度的大型零部件的燒結過程會對幾何形狀產生非常複雜的問題。根據3D科學谷的市場研究，燒結收縮目前嚴重限制了Binder Jetting粘結劑噴射金屬3D列印技術適用的幾何形狀和應用類型。
此外，間接金屬3D列印，除了Binder Jetting粘結劑噴射金屬3D列印技術，還有一種通過 普通的桌面級金屬3D印表機來列印金屬絲材（含塑料成分）的製造工藝。關於這種工藝的發展趨勢，3D科學谷將保持關注。