粘合劑噴射3D打印高 DPI 不等于高質(zhì)量的五個(gè)原因

文章出處：ExOne
翻譯：武漢易制科技


粘合劑噴射領(lǐng)域最大的誤解之一與一個(gè)看似簡(jiǎn)單的指標(biāo)有關(guān)：dpi，或每英寸點(diǎn)數(shù)。顧名思義，dpi 是一種實(shí)際測(cè)量值，可準(zhǔn)確表示打印頭每英寸可以產(chǎn)生多少墨滴。更高的 dpi 值等同于更高的最終零件精度和表面分辨率， 這種假設(shè)是 3D 打印領(lǐng)域中一個(gè)常見(jiàn)的誤解——而這種觀點(diǎn)錯(cuò)誤的程度跟聚合物打印領(lǐng)域的一種錯(cuò)誤觀點(diǎn)差不多：更薄的層自動(dòng)等于更高的質(zhì)量。（事實(shí)并非如此�。┰谶@兩種情況下，還有一系列其他考慮因素。

所以，讓我們談?wù)?dpi。為了就該主題進(jìn)行有趣的討論，我們聯(lián)系了 ExOne 技術(shù)研究員 Dan Brunermer，他是粘合劑噴射領(lǐng)域的世界領(lǐng)先專家。他從 2001 年開(kāi)始從事這項(xiàng)工作。他開(kāi)發(fā)了一種早期的金屬粘合劑噴射系統(tǒng) R2，該系統(tǒng)今天仍在生產(chǎn)中使用。

“嗯，第一個(gè)問(wèn)題是粉末，” Dan解釋道，“如果你沒(méi)有粉末來(lái)保持 dpi 的真實(shí)性，那這個(gè)dpi也沒(méi)啥用”。

理由一：粉末
與在紙上打印不同，粘合劑噴射系統(tǒng)中的打印頭是在粉狀材料上進(jìn)行打印：金屬、沙子或其他陶瓷。正如 Dan解釋的那樣，這些粉末并不都是大小相同的完美小圓形物。

從微觀上看，一堆粉末具有一系列特征，包括圓形或球形、非球形（包括有角和多面顆粒）。更重要的是，粉末顆粒并不都是相同的大小。粉末呈分布狀態(tài)，通常為 D50，其中一半粉末直徑高于某個(gè)值，另一半粉末低于某個(gè)值。對(duì)于 22 微米的 D50，一半的顆粒低于該數(shù)值，另一半高于該數(shù)值。

更重要的是，當(dāng)你把一袋粉末放進(jìn)機(jī)器時(shí)，粉末會(huì)自行排列或擠進(jìn)去，這種方式就像一堆大小不同的彈珠放在玻璃杯里，小彈珠擠進(jìn)大彈珠之間的空間。確切地說(shuō)，這是一個(gè)混合體。

粘合劑噴射中打印頭的目的聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單：用足夠的能量將足夠的粘合劑滴在這些顆粒上，使它們?cè)赬、Y和Z方向上完全濕潤(rùn)或飽和，這樣它們就能在需要的地方精確地結(jié)合相鄰的粒子。

在微觀層面上，這意味著粘合劑必須撞擊這個(gè)混合的顆粒袋，基本上用粘液把每個(gè)粒子單獨(dú)包圍起來(lái)，這樣它就會(huì)粘在相鄰的粒子上。根據(jù)你要打印的粉末，你的打印頭可能還需要處理一定范圍的粘合劑粘度。有些粉末偏愛(ài)較薄的粘合劑，有些偏愛(ài)較厚的粘合劑。

現(xiàn)在，進(jìn)行一些數(shù)學(xué)運(yùn)算。1200dpi打印頭是目前工業(yè)打印頭中使用頻率最高的打印頭之一。這個(gè)打印頭產(chǎn)生的每一個(gè)液滴相當(dāng)于21.17微米，大約是人類頭發(fā)橫截面的一半。

那么，讓我們假設(shè)你使用一個(gè)1200 dpi的打印頭將粘合劑打印到一個(gè)D50為30微米（標(biāo)準(zhǔn)加工的增材制造金屬粉末）的金屬粉末床上，粘合劑在碰到粉末顆粒時(shí)，是否能保持 1200 dpi 的公差？

不。那是因?yàn)橐话氲膯蝹�(gè)粒子本身實(shí)際上比噴射在它們上面的液滴還要大。在這種情況下，布魯納默解釋說(shuō)：“你實(shí)際上是在浪費(fèi)dpi。Dpi精度再高，也沒(méi)有用�！�

原因二：層厚
好的，讓我們換一個(gè)例子，假設(shè)粉末尺寸對(duì)于我們的 1200 dpi 打印機(jī)來(lái)說(shuō)不是問(wèn)題。想象一下，我們使用 D50 為 9 微米的粉末，最大粒徑約為 14 微米，遠(yuǎn)低于 21.7 微米的粘合劑液滴尺寸�，F(xiàn)在，我們要打印一個(gè)常見(jiàn)的層厚：50 微米。我們會(huì)在打印床上保持 1200 dpi 的精度嗎？

在 X 和 Y 中，答案是暫定的。（稍后會(huì)詳細(xì)介紹）。但是 在 Z 向，dpi不會(huì)保持——因?yàn)?50 微米的層相當(dāng)于 508 dpi。要在垂直方向保持 1200 dpi，您需要 21.7 微米或更小的層厚度，這會(huì)使需要打印的層數(shù)增加一倍。

最終，這也會(huì)使你的工作速度降低50%以上，因?yàn)榇蛴☆^必須跑兩次以上才能達(dá)到與50微米層相同的高度。如果你想以合理的速度和層厚打印，Dan解釋說(shuō):“你肯定不會(huì)選擇1200 dpi的體素。”

理由三：粉末壓實(shí)
好的，現(xiàn)在讓我們假設(shè)我們有合適尺寸的粉末和層厚，可以保持 1200 dpi 的真實(shí)性。現(xiàn)在，你必須確保每個(gè)粉末層在整個(gè)粉床上都很一致，且壓實(shí)水平很高。如果你不熟悉用大約 9 微米的 D50 的粉末進(jìn)行打印是否容易，我可以舉個(gè)例子，這就好像做蛋糕一樣，當(dāng)你把面粉倒出來(lái)時(shí)會(huì)團(tuán)聚在一起。當(dāng)你試圖鋪開(kāi)它，它會(huì)形成云狀物。

它需要一個(gè)高度工程化的粉末管理系統(tǒng)，具有極高的精度和控制力來(lái)分配、鋪平和壓實(shí)您的超細(xì)粉末，以保持任何 dpi。

無(wú)論粉末大小如何，這對(duì)于保持 X、Y 和 Z 方向的 dpi 至關(guān)重要。如果你的粉層一層又一層的不能保持一致和緊密，你可能就像在一張有洞的紙上打印1200 dpi的粘合劑，因?yàn)檫@些小顆粒不能緊密地聚集在一起吸收粘合劑。

布魯納默解釋道，“如果你的粉末不一致、不致密，粘合劑就會(huì)滲入縫隙中，分辨率就會(huì)損失”。更糟糕的是，最終的形狀在微觀結(jié)構(gòu)上不會(huì)很致密和完好，而且實(shí)際上不會(huì)很好地?zé)�結(jié)成金屬零件�！皦簩�(shí)是燒結(jié)成功的重要預(yù)測(cè)因素，”DAN說(shuō)�！罢澈蟿﹪娚淞慵�的生坯高致密度意味著更少的收縮、更少的變形和更嚴(yán)格的公差�！�

原因四：噴頭位置控制
有時(shí)，精度過(guò)高可能是一件具有挑戰(zhàn)性的事情。這就是為什么用散彈槍射擊目標(biāo)比步槍更容易的原因。（散彈槍追求一種廣度，而不是一種精度）

如果你有一個(gè)超精密的1200 dpi打印頭，你必須確保每一個(gè)液滴都準(zhǔn)確地?fù)糁袛?shù)字位圖目標(biāo)中的X和Y位置。此時(shí)，軟件、機(jī)械控制及其相互作用至關(guān)重要。

如果您有一個(gè)高 dpi 打印頭和一個(gè)不達(dá)標(biāo)的系統(tǒng)來(lái)將您的 21.7 微米超細(xì)墨滴輸送到打印床中準(zhǔn)確的 X、Y 位置，那么您實(shí)際上并不能達(dá)到目的。在這一點(diǎn)上，較小的墨滴實(shí)際上對(duì)控制系統(tǒng)提出的挑戰(zhàn)更大，因?yàn)樗鼈內(nèi)蒎e(cuò)的空間更小。

正如 Dan 所說(shuō)，“如果我沒(méi)有精確到20微米以內(nèi)的驅(qū)動(dòng)器，1200 DPI并不重要。如果我沒(méi)有辦法能正確地找到這所有1200滴墨水的位置，那么1200 DPI也不重要�！�

原因五：墨滴質(zhì)量
現(xiàn)在，讓我們假設(shè)我們有合適的粉末、層高和管理粉末的系統(tǒng)，并精確對(duì)準(zhǔn)打印頭。一切都已準(zhǔn)備就緒，可以輸出和接收 1200 dpi 墨滴，這樣就能保持dpi了嗎？

你是否知道并非所有 1200 dpi 打印頭都能提供相同質(zhì)量的 21.7 微米墨滴？液滴可以以不同的形狀和能量或速度水平輸送�！捌婀值氖�，”DAN解釋說(shuō)，“我們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)，不太完美的液滴可以生產(chǎn)出更好的零件。這叫粘合劑噴射，不是粘合劑掉落，對(duì)吧？”

“如果你仔細(xì)觀察噴嘴的工作原理，它噴射一些質(zhì)量和能量都足夠好的細(xì)流，從而真正滲透到顆粒中。如果液滴太慢或太小或能量太少，它只會(huì)從粉末表面反彈。實(shí)際上，我們?cè)噲D讓我們的墨滴更像是噴射，而不是液滴。”

結(jié)論
這五個(gè)原因只是 dpi 不能代表粘合劑噴射 3D 打印質(zhì)量的幾個(gè)原因，我們甚至還沒(méi)有談到在最后的金屬燒結(jié)階段如何保持dpi。

那么，確定粘合劑噴射系統(tǒng)質(zhì)量的最佳方法是什么？

“最終的答案是擁有一個(gè)考慮到所有這些變量，從而構(gòu)建、設(shè)計(jì)和優(yōu)化的完整系統(tǒng)”，Dan 說(shuō)�！罢嬲�的關(guān)鍵不是任何一個(gè)特定的數(shù)字，而是了解整個(gè)系統(tǒng)如何運(yùn)作以及整個(gè)過(guò)程如何協(xié)同工作，才能真正讓你獲得高分辨率、高重復(fù)性的零件�！�

為了真正比較粘結(jié)劑噴射系統(tǒng)的精度和表面光潔度，最好的方法是用競(jìng)爭(zhēng)系統(tǒng)打印你的零件，并比較基準(zhǔn)。