易制科技：提高粘結(jié)劑噴射金屬3D打印零件性能和精度的關鍵技術(shù)

導讀：2022年12月20日開展的“增材制造Binder Jetting粘結(jié)劑噴射成形技術(shù)論壇”云集了惠普、易制、三帝科技、維捷、Desktop Metal、Digital Metal等眾多廠商。在此次增材制造Binder Jetting粘結(jié)劑噴射成形技術(shù)論壇上，國內(nèi)外知名的幾個相關廠商做了非常有深度的分享交流。來自武漢易制科技有限公司的董事長蔡道生以”提高BJ金屬零件性能和精度的關鍵技術(shù)“為題展開了分享。目前的BJ金屬零件的真實性能精度是什么？存在的技術(shù)問題是什么？易制科技又是如何解決的？讓我們聽一聽蔡道生是如何做出解答的。


首先，蔡道生董事長表示，目前的BJ金屬零件的尺寸精度綜合來說在±0.1mm/100mm以內(nèi)，最高可以達到±0.05mm。粗糙度在3~5um之間，最高的可達2um，但會犧牲一定的打印速度。在粗糙度方面，BJ相比于SLM（激光燒結(jié)）技術(shù)，有著很大的優(yōu)勢。目前，BJ零件的致密度>99%。



蔡道生董事長此次的報告主要分為三個方面：
●影響因素分析
●關鍵技術(shù)解析
●已集成多種新技術(shù)的新裝備

一、影響因素分析
蔡道生董事長在這一部分重點介紹了BJ技術(shù)制造零件過程中精度的影響因素，包括對此采取的處理方法和手段。BJ技術(shù)的精度影響因素主要有7個方面，包括：



●機械精度
●運動控制
●數(shù)據(jù)精度
數(shù)據(jù)精度為什么會影響零件精度？因為數(shù)據(jù)一般為點陣數(shù)據(jù)，具有分辨率的說法，分辨率越高，精度越高，但同時數(shù)據(jù)處理量越大，存儲空間變大。另一個方面，分辨率越高，意味著點陣越多，即墨滴越多，墨量越多。墨量高到一定程度，是不能被接受的，會嚴重影響打印過程。
●噴墨精度
噴墨的定位精度是BJ技術(shù)獨有的精度因素。這個定位精度會受到墨滴的大小、墨滴的速度影響。墨滴越大即墨滴越重，定位精度越準，在運動過程中更易控制，但對于粉末床會有較大的沖擊，會造成粗糙的表明，需要調(diào)整合適的墨滴大小和速度，減少沖擊。
●墨滴滲透
墨滴滲透會直接影響粉末床邊界甚至是下表面的精度，如果墨滴滲透問題做的很好，在清理過后，零件的整個表面都會很光滑，肉眼甚至分辨不出來哪個是上表面，哪個是下表面。
●收縮變形
BJ技術(shù)涉及燒結(jié)，如果收縮均勻，是很容易通過軟件進行補償?shù)�。非均勻收縮會嚴重影響打印精度，目前可以從粉末均勻性、密度、保型性等方面進行考慮解決這個問題。
●噴孔缺陷
噴口堵塞一直是BJ工藝中永恒的話題，這個問題一直存在。目前很多廠家一直致力于解決噴口有堵塞、斜噴的問題。

蔡道生董事長表示易制科技針對上述精度影響因素有一整套的處理方法，包括：
●在線數(shù)據(jù)處理：解決大的數(shù)據(jù)量問題，低內(nèi)存占用問題。輪廓表面與實體內(nèi)部方便采用不同分辨率，分區(qū)數(shù)據(jù)處理傳送打印，減少存儲量。
●波形控制：實現(xiàn)穩(wěn)定噴墨并減少環(huán)境風速對墨滴運行曲線的影響，調(diào)節(jié)墨滴至合適的噴墨速度以及減少粉床沖擊。
●滲透控制：零件上下作用相似的精度和粗糙度。
●新的鋪粉方法：能夠兼容不同形貌，粉徑粉末，提高鋪粉均勻性和致密度。
●容堵打印：對于噴頭堵塞盡可能的容許。

零件性能的影響因素
蔡道生表示影響零件性能的因素主要有四點：



●粉末的燒結(jié)活性
●胚件的致密度：一般來說，胚體的致密度越高，收縮率越小，變形可能性越低。
●墨水殘余：希望殘余越小越好，即便有殘余也不會產(chǎn)生什么影響。
●燒結(jié)爐潔凈度：不同的材料選擇不同的燒結(jié)爐。

對應的有一些解決措施，包括：
●高致密度鋪粉方法：一定有壓實機構(gòu)
●低殘余的墨水：墨水高溫分解殘余少，殘余負面影響小
●細化晶粒添加劑：能夠有效減緩高溫燒結(jié)時晶粒的長大
●高潔凈度燒結(jié)爐：爐體和發(fā)熱器件揮發(fā)物質(zhì)極少

二、關鍵技術(shù)解析
1. 打印數(shù)據(jù)處理軟件（RIP）



蔡道生認為打印數(shù)據(jù)處理軟件是重中之重，沒有打印數(shù)據(jù)處理軟件一定做不好BJ金屬3D打印。打印數(shù)據(jù)處理軟件就是把切片的輪廓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成打印機能夠接受的點陣數(shù)據(jù)。打印數(shù)據(jù)處理軟件應該具備幾個功能：
●分區(qū)域數(shù)據(jù)處理：以700mm*700mm尺寸為例，當分辨率為1200*1200DPI時，單色點陣數(shù)據(jù)將達到1GB多，計算機運行時將達到2GB，如此龐大的數(shù)據(jù)量會使得計算機不堪重負。分域數(shù)據(jù)處理，就是專門處理大尺寸的功能，即一邊打印一邊數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)”小內(nèi)存處理大數(shù)據(jù)“
●在線數(shù)據(jù)處理：上述說到的”一邊打印一邊數(shù)據(jù)處理“需要在線功能，若是離線就不能做到了
●全映射數(shù)據(jù)處理技術(shù)：在傳統(tǒng)的噴繪里面，通常采用插值提高分辨率，但插值無法保證點陣的物理位置精度。全數(shù)據(jù)處理技術(shù)高精度點陣數(shù)據(jù)，無損映射到噴孔實際噴射的每一個物理位置，不產(chǎn)生任何數(shù)據(jù)誤差。

2.精細化墨量調(diào)節(jié)技術(shù)



通常需要控制墨滴的大小、形狀。但對于墨滴的調(diào)節(jié)遠遠不夠，還需要對墨量進行控制。BJ金屬打印對墨量非常敏感，每層噴墨過多或過少都會影響打印質(zhì)量。易制科技采用波形調(diào)節(jié)技術(shù)控制噴墨頭墨滴大小，然后區(qū)分輪廓區(qū)域（精度描述）和填充區(qū)域（強度和墨量描述）進行噴點調(diào)節(jié)，實現(xiàn)精細化墨量調(diào)節(jié)。

3.輪廓精準還原技術(shù)：內(nèi)偏輪廓算法



輪廓是有一定”寬度“的，這會影響零件尺寸，造成尺寸偏大。傳統(tǒng)的輪廓環(huán)偏移算法對橫向墨水滲透和筆寬外偏進行補償，會因偏移算法的自身缺陷而丟失輪廓細節(jié)。內(nèi)偏輪廓算法只根據(jù)輪廓矢量數(shù)據(jù)進行輪廓內(nèi)部”擴寬“，不對輪廓數(shù)據(jù)產(chǎn)生任何影響，如下圖所示。



4.自適應容堵技術(shù)



如果能把少數(shù)堵塞噴孔造成的打印缺陷分散在零件內(nèi)部，而不是聚集在某一位置，零件的性能是可以容許一些噴墨缺陷存在的。容堵打印控制技術(shù)通過RIP算法調(diào)整每個噴頭每次打印的數(shù)據(jù)，在打印中實現(xiàn)當前層與上下層噴孔的隨機換位，從而有效避免因噴孔堵塞造成的局部噴墨不佳而出現(xiàn)斷裂的情況。



5.全自動上送粉鋪粉系統(tǒng)

●全自動上粉
●粉末高兼容性
●高致密度鋪粉
●高均勻性鋪粉
●集成自研”粉閥“，粉末傳輸關停自由
整個鋪粉機構(gòu)是將粉末均勻撒在整個工作面，然后壓實的。

6. 高密度保型粉末
●高坯金屬粉末：粉末粒度減小，燒結(jié)活性很高；同時提高松裝密度，保證流動性。
●高保型金屬粉末：球型粉末保型性較差。可以采用水氣聯(lián)合霧化粉和氣霧化粉相結(jié)合的方式，使得粉末保型，同時提高粉末流動性，以利于鋪粉。

7.低殘余環(huán)保水性墨水
什么樣的粘接劑合適呢？蔡道生表示這個問題沒有什么嚴格的規(guī)定，但是有一定的基本要求。從生產(chǎn)級角度出發(fā)，需要粘接劑環(huán)保，同時在高溫燒結(jié)中殘余很少，對零件性能沒有什么負面影響。粘結(jié)劑滲透率需要控制在一定范圍。他還表示，對于不同的粉末一般使用不同的粘結(jié)劑。

三、已集成多種新技術(shù)的新裝備
最后，蔡道生董事長介紹了易制科技新一代BJ打印設備M400Pro，目前還未正式發(fā)布，此款產(chǎn)品集成了各種技術(shù)，主要特點是自動化、密閉性。



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