為什么選擇粘合劑噴射3D打印技術(shù)？聽(tīng)聽(tīng)專家給出的建議

導(dǎo)讀：粘合劑噴射是目前市場(chǎng)上廣泛使用的一種增材制造工藝，它的工作原理與其他 3D 打印方法類似，不同的是它是基于微滴粘合劑和粉末原料制造，所兼容的材料包括金屬、沙子、陶瓷和復(fù)合材料等。

粘結(jié)劑噴射技術(shù)是逐層制造所需部件，根據(jù)所使用的粘合劑和粉末，可能需要進(jìn)行后處理步驟，如燒結(jié)。這種3D打印工藝在材料和設(shè)計(jì)方面具有很高的靈活性，以及生產(chǎn)大型部件的能力，這使得它成為許多制造商所看好的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。但是，當(dāng)一個(gè)公司想要整合粘合劑噴射時(shí)，應(yīng)該考慮什么？該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)是什么？本期文章中的專家給出了它們的一些看法，并對(duì)問(wèn)題進(jìn)行了闡述。

第一位專家是ExOne公司的產(chǎn)品經(jīng)理AndreasMüller。他的主要工作是開(kāi)發(fā)和改進(jìn)砂型3D打印機(jī)器的能力。ExOne是粘合劑噴射式3D打印機(jī)的領(lǐng)先制造商之一，特別是使用沙子的系統(tǒng)。第二位專家是Lino3D的總經(jīng)理Lefteris Havouzis。這家希臘公司目前為公司和制造商的增材制造項(xiàng)目提供支持，這要?dú)w功于其在幾種工藝中的專業(yè)知識(shí)，包括金屬粘合劑噴射。最后一位專家是Vincent Poirier，他是Novadditive的創(chuàng)始人和總裁，Novadditive是第一個(gè)多流程3D打印的陶瓷定制生產(chǎn)中心。

△從左至右：Andreas Müller，Lefteris Havouzis，Vincent Poirier

粘合劑噴射是如何工作的？

像其他所有的增材制造工藝一樣，粘合劑噴射是通過(guò)材料層的疊加來(lái)生產(chǎn)零件的。在這種情況下，粉末床的理想顆粒是球形的，直徑為1微米。為了使粉末顆粒相互粘連，使用打印頭將粘合劑噴到板上的所需位置。這一過(guò)程逐層重復(fù)，直到獲得最終的物體。ExOne公司的Andreas Müller補(bǔ)充說(shuō)："類似于在紙片上的印刷，這個(gè)過(guò)程是逐層重復(fù)的，使用數(shù)字設(shè)計(jì)文件的地圖，直到物體完成。打印后，整個(gè)裝滿零件的作業(yè)箱可以在大約半天的時(shí)間內(nèi)完成打印，零件可以從打印區(qū)取出。根據(jù)使用的材料和粘合劑，可能需要額外的固化和后處理步驟"。

正如你所看到的，這個(gè)過(guò)程需要兩種材料才能正常工作：3D打印材料和粘合劑。而關(guān)于粘合劑噴射的特別有趣的是市場(chǎng)上材料的多樣性。

△粘合劑噴射過(guò)程（圖片來(lái)源：ExOne）

粘結(jié)劑噴射的材料靈活性

粘合劑噴射技術(shù)與金屬、陶瓷、沙子和復(fù)合粉末等多種材料兼容。因此，它是一項(xiàng)能解決多種類型應(yīng)用的技術(shù)。例如，砂型粘結(jié)劑噴射在鑄造核心或模具的設(shè)計(jì)中很受歡迎，避免了對(duì)模具的需求，提供了更大的設(shè)計(jì)自由度。Andreas Müller解釋說(shuō)："ExOne沙子3D打印使用鑄造級(jí)沙子和粘合劑來(lái)制作金屬鑄造的模具和芯子。沙子也被打印成其他復(fù)雜的設(shè)計(jì)，再與樹(shù)脂浸潤(rùn)在一起，形成耐用的最終使用部件。打印介質(zhì)和粘結(jié)劑的組合是為每個(gè)應(yīng)用定制的。我們的3D打印機(jī)可以處理各種砂鑄材料，包括硅砂和陶瓷砂。不同的粘合劑，如呋喃、酚醛和無(wú)機(jī)粘合劑可用于鑄造從鋁和鎂到鐵和鋼的各種合金"。

如果現(xiàn)在把目光轉(zhuǎn)向金屬，同樣存在材料的多樣性。Lefteris Havouzis說(shuō)："一般來(lái)說(shuō)，所有的合金都可以有效地?zé)�結(jié)（主要是鐵基合金，如不銹鋼、工具鋼、鎳基超級(jí)合金、鉻鈷合金，以及難以焊接的合金，如耐火合金）。最重要的一點(diǎn)是，粘結(jié)劑噴射可以用于難以焊接的合金，而這是激光增材工藝難以實(shí)現(xiàn)的。“

△粘合劑噴射法用于金屬粉末（圖片來(lái)源：ExOne）

在工藝方面，打印后的燒結(jié)步驟是必不可少的一步。在離開(kāi)3D打印機(jī)后，通常被稱為生坯部件的部件充滿孔隙，會(huì)變得非常脆弱，必須進(jìn)行熱處理以獲得其最終的機(jī)械性能。與其他使用粉末的金屬工藝不同，金屬粘合劑噴射不需要打印支撐，因?yàn)橹車�的粉末支撐著零件�?/div>

最后，在陶瓷方面，粘合劑噴射也是制造商使用的技術(shù)之一。Vincent Poirier解釋說(shuō)："理論上，所有的陶瓷材料都可與粘結(jié)劑噴射兼容，只要開(kāi)發(fā)了合適的粘結(jié)劑，并且可以制備出球形顆�；蚩梢皂樌�鋪展的粉末。在實(shí)踐中，為該工藝開(kāi)發(fā)的陶瓷材料往往會(huì)比增材制造技術(shù)更具有優(yōu)勢(shì)"。因此，在選擇陶瓷粉末粘結(jié)時(shí)，應(yīng)用是關(guān)鍵。你必須有一個(gè)非常具體的項(xiàng)目，否則，選擇這種工藝是不靠譜的。氧化鋁、氧化鋯、碳化硼或浸潤(rùn)碳化硅都是可以用于粘合劑噴射的陶瓷，并且它們?cè)谔�空領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

△砂型粘合劑噴射法被廣泛用于制造模具和芯子（圖片來(lái)源：寶馬集團(tuán)）

粘合劑噴射的優(yōu)點(diǎn)和局限性

如前所述，粉末粘結(jié)的主要優(yōu)勢(shì)之一是它的材料兼容性。不過(guò)，一切都是相對(duì)的：例如，盡管激光增材技術(shù)的應(yīng)用很廣泛，但可用于這一技術(shù)的金屬材料范圍卻很有限。但是，粘結(jié)劑噴射能夠根據(jù)所需的應(yīng)用在粉末/粘合劑上進(jìn)行組合，這一方向是非常有趣的。

這也是一項(xiàng)允許生產(chǎn)大型部件的技術(shù)，當(dāng)然，這取決于機(jī)器的能力。事實(shí)上，粘合劑噴射是在室溫下進(jìn)行的，這消除了熱變形（翹曲）的風(fēng)險(xiǎn)。因此，用戶將能夠想象更大和更復(fù)雜的零件。Lino3D的Lefteris Havouzis補(bǔ)充說(shuō)："與其他的金屬3D打印技術(shù)相比，粘結(jié)劑噴射技術(shù)設(shè)計(jì)的自由度要更大，可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的生產(chǎn)組合，減少制作時(shí)間。在同一次打印中，我們可以打印幾十個(gè)不同的批次，而不需要任何改變。"

除了零件的數(shù)量之外，還可以提到工藝的相對(duì)速度和簡(jiǎn)單性。Andreas Müller評(píng)論說(shuō)："粘結(jié)劑噴射技術(shù)在增材制造方法中特別以其高容積率輸出而聞名。在增材制造技術(shù)中，它也是與傳統(tǒng)印刷最相似的，方法簡(jiǎn)單，速度快。粘合劑的功能就像墨水一樣，它在粉末層上移動(dòng)，就像在紙上打印一樣，形成最終產(chǎn)品。相比之下，許多其他形式的3D打印是用一個(gè)點(diǎn)--通常是激光或噴嘴--將材料擠壓、熔化或焊接在一起來(lái)制造零件。這種工藝需要更多的材料和時(shí)間，以單點(diǎn)逐層拉出每個(gè)零件。" 相比之下，粘結(jié)劑噴射機(jī)可以一次沉積許多粘結(jié)劑液滴，減少制造時(shí)間，提高生產(chǎn)率。然而，請(qǐng)注意，后處理步驟會(huì)延長(zhǎng)這個(gè)過(guò)程。

△使用陶瓷需要進(jìn)行后處理（圖片來(lái)源：WZR）

后處理是粘合劑噴射的最終限制之一，特別是在使用金屬和陶瓷粉末時(shí)。你必須經(jīng)過(guò)排膠和燒結(jié)步驟，這將增加時(shí)間，但也會(huì)影響最終的零件。來(lái)自Lino3D的Lefteris說(shuō)："在審視這項(xiàng)技術(shù)時(shí)，必須提到粘合劑噴射的關(guān)鍵階段是在燒結(jié)階段，在這個(gè)階段必須考慮到幾種現(xiàn)象。那么與一個(gè)能夠管理整個(gè)價(jià)值流的合作伙伴合作就非常關(guān)鍵。"

粘結(jié)劑噴射的初始坯件是一個(gè)多孔的部件，機(jī)械性能很弱。Vincent Poirier總結(jié)道："粉末的沉降能力越強(qiáng)，預(yù)制件和陶瓷部件的多孔性就越低。因此，選擇正確的粉末并選擇球形粉末是至關(guān)重要的�！�

總結(jié)

最重要的關(guān)鍵詞是整合：粘結(jié)劑噴射，像其他制造技術(shù)一樣，不是一個(gè)獨(dú)立的解決方案，但要實(shí)現(xiàn)其潛力，必須將其整合到公司的生態(tài)系統(tǒng)中，從設(shè)計(jì)到后期處理。- Lefteris Havouzis

砂型3D打印是一種靈活的生產(chǎn)技術(shù)。它適合作為生產(chǎn)砂鑄工具的快速制造方法，也可用于生產(chǎn)獨(dú)特的終端產(chǎn)品。要考慮的重要問(wèn)題是技術(shù)和材料的正確組合，以滿足這些需求。在ExOne，我們提供全方位的砂型3D打印支持，在德國(guó)為我們的歐洲客戶設(shè)立了一個(gè)服務(wù)中心，在那里我們帶領(lǐng)客戶了解不同的選擇，并評(píng)估最佳解決方案，以解決他們的生產(chǎn)挑戰(zhàn)。– Andreas Müller

對(duì)于陶瓷來(lái)說(shuō)，你需要有一個(gè)非常具體的應(yīng)用，明確地需要這種技術(shù)。與其他陶瓷增材制造技術(shù)一樣，我們無(wú)法涵蓋所有情況。此外，重要的是要明白，技術(shù)訣竅不僅是在打印方面。噴射打印陶瓷材料的訣竅在于掌握諸如燒結(jié)周期和燒結(jié)收縮等關(guān)鍵工序，它們對(duì)最終成品的影響也很重要。- Vincent Poirier