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详述粘结剂喷射金属3D打印技术的研究与应用难点

2022-01-05文章来源:易制科技

当前国内粘结剂喷射金属3D打印技术研究与发展概况

 

   

  粘结剂喷射金属3D打印技术工艺具有高速度、低成本、高精度的显著优势,以及国外在该技术方向的蓬勃发展,特别是在2018年该技术被《MIT Report》评为 “全球十大突破性技术”,国内越来越多团队开始重视该技术,一些从事粘结剂砂型打印和粉末冶金技术的团队也开始尝试研制,广东省、湖北省把该技术列入了重点专项进行支持。但是到目前为止,国内只见到武汉易制科技在该领域实现了基本应用的报导,并在多个行业进行测试。虽然粘结剂喷射与面成型(LCD、DLP)3D打印技术是目前3D打印行业的发展热门,但人们对粘结剂喷射技术的认知仍然有很多不足。

  由于最初的粘结剂喷射仅用来打印石膏,该技术一度被认为精度差、强度低。对于粘结剂喷射金属3D打印技术,甚至一些专业人士也误认为该技术做不了高强度致密金属零件。事实上,很多材料用该技术已经取得了较高的致密度,性能指标满足了绝大多数应用场景;对于特殊高性能要求的场景,还可以通过热处理或热等静压提高,而且采用真空烧结生产的零件,由于内部孔隙是真空状态,热等静压基本可以实现完全致密。

  易制团队在基于对粘结剂喷射技术的深度分析,在前期十多年3D打印开发经验的基础上,以华中科技大学为技术支撑,从2013年开始专注于该技术方向的开发和应用,以实现批量化应用为目标,从2016年开始研制粘结剂喷射金属打印技术,并于2017年成功打印致密合金钢零件。实现了从切片软件、打印数据处理、喷墨打印控制到粘结剂、烧结等材料和工艺的全自主开发。从目前国内粘结剂喷射金属3D打印技术的发展状况来看,武汉易制是目前掌握了从软件到材料和烧结工艺全套技术的主要团队,并已在多个应用场景开始尝试应用,预计一年以内会实现部分领域批量化应用。

 

粘结剂喷射金属3D打印技术的应用与发展难点

 

  粘结剂喷射金属3D打印技术非常复杂,其复杂在于不仅所涉基础科学面太多,而且影响最终零件性能和精度的因素太多。除了研制3D打印技术常规所需掌握的软件、控制等技术外,掌握粘结剂、金属材料、烧结工艺及其相互影响规律等都非常重要。由于烧结工艺的影响因素非常之多,所以持续稳定地生产出合格的零件需要大量的实验才能总结出一套确定的工艺方法,即使相同的材料和打印参数,用同一台烧结炉采用不同的温度曲线,得到的零件性能也会不同,更不用说实际生产过程中任何一个环节变化都可能造成金属粉末成分和粒径分布差异、粘结剂成分和比例差异、温度场差异、传热差异等,这些差异加上烧结时重力和摩擦影响,很容易造成最终零件的性能和尺寸相差很大。

  通过近几年的发展,业内对粘结剂喷射金属3D打印的认识有所提高,目前,人们已经相信该技术可以制造出致密高性能零件,大家对该技术的主要担心集中在变形和精度上。由于烧结会收缩才会致密,而只要收缩一致就可以通过软件进行补偿,而做到收缩一致,就要做到材料一致、烧结温度场均匀一致以及外力影响一致。外力影响基本就是重力及其产生的摩擦力,重力和摩擦力的影响也是最难完全解决的。为了解决收缩一致问题,不同团队根据自己的理解采用了各自不同的方法,通过这些方法,绝大多数零件在精度控制方面都可以得到解决。

  目前来看, 粘结剂喷射金属3D打印是唯一可以实现工业批量化应用的金属3D打印技术,其速度快、成本低和数字化柔性制造的特点一定会使其在制造业中占有很大比重。当然,其也有不擅长的地方,这些不擅长的基本都来自烧结工艺无法或者很难克服的问题——重力和摩擦影响:如不擅长加工无支撑结构的大面积薄壁件,不善于制造细枝树状零件等。

  从以上分析可以看出,粘结剂喷射金属3D打印要实现真实应用,需要根据实际应用提出目标要求,选择金属材料和粘结剂,采用相对应的参数打印出初胚零件,再选择合适的烧结工艺烧结得到零件,甚至可能还需要热处理工艺,最后交给应用端进行测试。在整个生产过程中,任何一个影响因素的变化都可能对零件最终性能和精度造成很大的影响,这就需要事先进行大量的打印、烧结实验,确定一整套方案,最终才能实现应用。加上材料种类的繁多以及应用需求的多变,这就决定了粘结剂喷射金属3D打印开始实现批量化应用需要较长的时间。

 

易制科技就粘结剂喷射金属3D打印技术已取得的重要突破

 

 

  纵观全球所有从事粘结剂喷射金属3D的公司,几乎没有公司在五年以内就实现批量应用,目前大家状态相近,多处于在某个应用场景的测试阶段,预计一年以内随时可能取得突破。与选择性激光熔融金属3D打印的应用特点不同在于,任意一个应用场景的突破,即使仅限于国内都可能是几十亿上百亿的应用规模。

  由于粘结剂喷射金属3D打印技术的出现就是定位于批量应用,所以一定需要往高速打印方向发展,并不断提高打印精度,丰富材料种类,同时注意环保要求。

  易制科技正是基于以上思路开展粘结剂喷射技术的研发和应用推广的。从2013年至2015年的前三年实现从无到有,首先基于已有的成熟应用材料(石膏和砂型)开展打印机研制。2016年时,当时首先是考虑开发全新的高精度塑料3D打印机,再逐步开展金属打印研制,但是基于合作伙伴的建议,把重心放在了金属打印方面。通过两年左右的探索,在2018年初才制造出第一个金属零件。

  在经过近六年的粘结剂喷射技术开发之后,易制科技对粘结剂喷射技术的认识也上升了一个台阶,并根据理解对喷墨打印系统和软件进行了根本性升级,解决了大数据量的处理和传输问题。2018年之后,几乎每天都要进行打印和烧结实验,经过千万次的实验,在铁基粉末打印烧结方面储备了足够的经验和理解,打印316L和304L零件的致密度可达99%,拉伸强度600Mpa,延伸率>60%。2021年开始,把研发重心放在了高速、高精度打印和环保粘结剂材料的开发,目前已经掌握了一整套完整的打印、材料及烧结技术,总结几个具有鲜明特点的关键技术如下:

 

  1、大数据量高速数据处理软件

  喷墨打印采用点阵数据,3D打印切片数据转换成高分辨率的点数据时,一层的数据量甚至可以达到1G以上,占用了很大的计算机内存,特别是大幅面高速onepass打印,甚至直接造成计算机崩溃。所以需要根据切片数据在线RIP实时输出打印数据,保证打印的墨滴精细度,同时占用很小的内存,还能做到墨量精细调节。

  2、自适应喷孔容堵喷墨打印方法。

  可根据喷头堵塞情况,在不同层面之间自动进行微小错位打印,容忍部分喷孔堵塞产生打印缺陷。

  3、高兼容性铺粉压实技术。

  铺粉系统兼容不同粒径不同形貌的金属粉末,铺粉过程中落粉的同时辅以辊筒抹平压实,实现落粉均匀并致密铺展在整个工作面,减少铺粉对已成形零件的冲击。这对于大台面工作缸极其重要,在保证铺粉均匀性的基础上能提高铺粉致密度5~10%。

  4、高速打印系统。

  在喷头喷孔宽度只等于工作缸打印宽度的情况下,可实现不停顿铺粉的同时完成打印,极度减少打印时间,整体加工时间等于铺粉时间。

  5、高精度打印方法。

  切片轮廓打印精度可达1200DPI,通过喷头波形及墨滴修改技术调整墨滴大小和喷射速度,实现稳定喷墨同时减少墨滴对金属粉末的冲击,达到最佳喷射效果。

  6、低残碳环保墨水。

  新的水性环保墨水具有极低的残碳量,适合于对碳元素敏感的金属材料的批量化生产。

粘合剂喷射金属3D打印零件

(武汉易制科技3D打印零件图)

END

  正是基于“工业革命”驱动力的思考,易制团队的目标是开发能对制造业具有足够影响力的技术,粘结剂喷射3D打印技术是目前能看到的最具工业应用价值的普适性技术方案。一旦该技术的原材料成本接近于精密铸造原材料成本的2~3倍时(这个目标将会很快实现),很多几十公斤以内精密铸造的零件将会转向采用粘结剂喷射3D打印技术。

  因此,我们想象的一种场景:对于金属零件,当人们在选择制造方式时,如果零件相对简单时,采用CNC技术; 如果零件相对复杂,采用粘结剂喷射3D打印;如果零件很大很重,选择铸造方法;如果精度要求比较高,粘结剂喷射3D打印和铸造再结合CNC。对于其他的3D打印技术,我们更应该把他们看着是“特种加工技术”,是具有某种特种功能特点的技术。

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