粘合劑噴射金屬 3D 打�。篋esktop Metal、HP 與 Markforged

在增材制造領(lǐng)域，目前只有少數(shù)公司生產(chǎn)金屬粘合劑噴射3D打印機，其中包括增材制造行業(yè)的三個頂級公司：Desktop Metal、HP 和 Markforged。接下來，南極熊將分析每個產(chǎn)品的特點，幫助用戶選擇最合適的供應商。首先，南極熊將討論什么是金屬粘合劑噴射技術(shù)、該技術(shù)的用途以及該技術(shù)的主要打印機。


△Cobra 高爾夫球桿與 HP 合作，使用金屬粘合劑噴射技術(shù)批量生產(chǎn)推桿

什么是金屬粘合劑噴射？


△粘合劑噴射如此高效和快速的原因之一是可以一次批量打印數(shù)十個甚至數(shù)百個零件。打印機軟件可幫助將零件嵌套到打印機的全部容量中。

粘合劑噴射是一種 3D 打印方法，使用液體粘合劑將粉末狀金屬材料逐層粘合，以創(chuàng)建堅固、復雜的形狀。無論是金屬、塑料、沙子還是其他粉末材料，核心的粘合劑噴射過程都是相同的。

隨著打印的進行，金屬粉末被沉積到構(gòu)建室中，然后滾筒在打印平臺上壓實一層薄薄的粉末。帶有噴墨噴嘴的打印頭在打印平臺上方移動，選擇性地將粘合劑液滴沉積在打印平臺上（零件橫截面的形狀上）。粘合劑將粉末顆粒粘合在一起。當一層完成后，構(gòu)建平臺向下移動，滾筒在表面上重新涂上更多的金屬粉末。然后重復該過程，將新層粘合到下面的層上，直到零件完成。

盡管 HP、Markforged 和 Desktop Metal 的金屬粘結(jié)劑噴射技術(shù)的核心要素是相同的，但每種技術(shù)都有一些獨特的（通常是專利的）內(nèi)部力學、材料和軟件方法，可以在速度、零件質(zhì)量、使用方便性或是流程效率上具有一定優(yōu)勢。


△HP Metal Jet S100 粘合劑噴射 3D 打印機可實現(xiàn)高精度

分辨率和高精度細節(jié)
HP、Markforged 和 Desktop Metal 均提供 30 至 50 微米范圍內(nèi)的層高（人類頭發(fā)的寬度約為 70 微米）。它們的分辨率以每英寸點數(shù) (DPI) 為單位。在粘合劑噴射中，DPI 用于描述粘合劑沉積的分辨率或粒度，DPI 值代表粘合劑沉積到粉末床上的精細程度。較高的 DPI 值表明打印機可以更精確地以更小的增量應用粘合劑，從而在最終的 3D 打印對象中產(chǎn)生更精細的細節(jié)和更高的分辨率。

DPI 是一個有點模糊的衡量標準，因為它不容易轉(zhuǎn)化為零件尺寸。Markforged 聲稱最高 DPI 為 8,000 x 1,600，但值得注意的是，DPI 只是影響粘合劑噴射打印的整體分辨率和質(zhì)量的因素之一。其他因素，例如所用粉末材料的類型、層厚度以及打印機的整體機械結(jié)構(gòu)和校準，在確定零件的最終精度水平方面也發(fā)揮著重要作用。

Desktop Metal 的 X 系列以體素報告其分辨率，體素是代表打印機可以創(chuàng)建的最小特征尺寸的 3D 像素。X 系列的分辨率約為 30 微米體素。X 系列聲稱其尺寸公差小于 1%，Desktop Metal打印系統(tǒng)具有 ±2.0% 的尺寸公差。


△金屬粘合劑噴射 3D 打印涉及將液體粘合劑噴射到金屬粉末層上以凝固形狀

金屬粉末管理
打印后，零件被封裝在未使用的粉末中，這些粉末支持構(gòu)建，通常無需任何打印支撐即可實現(xiàn)復雜的幾何形狀。在此階段可能存在固化或干燥步驟，該步驟需要在粉末床上加熱零件，然后一旦冷卻，就將零件從粉末中取出。

去除粉末并為下一次構(gòu)建準備粉末可能需要一兩個額外的設(shè)備，稱為除粉站和粉末管理系統(tǒng)。由于粘合劑噴射是一種“冷”工藝，與激光粉末床燒結(jié)不同，更多的金屬粉末（接近 99%）可以重復使用，從而降低成本。


△使用 HP Metal Jet 粘合劑噴射系統(tǒng) 3D 打印的燃油閥

零件基本上是由粉末制成的，由用聚合物粘合劑粘合在一起的金屬顆粒組成。這些所謂的“綠色部件”（素坯）很脆弱，無法按原樣使用。下一步是從金屬部件中去除剩余的粘合劑，以創(chuàng)建 96% 至 99% 的金屬部件。這些零件進入爐子進行熱處理（稱為燒結(jié)的過程），燃燒掉粘合劑并凝結(jié)零件。其他后處理包括用另一種材料填充金屬部件的孔以產(chǎn)生所需的基體或復合材料。根據(jù)熔爐溫度和零件燒結(jié)時間，它們的致密度可以達到 99%（與注塑成型的質(zhì)量相同）或高達 60% 的多孔性�？紫堵适悄承�應用所期望的效果。


△展出的 Desktop Metal Shop Systems 金屬粘合劑噴射部件

打印參數(shù)和材料選擇
打印、固化和燒結(jié)參數(shù)均針對特定零件幾何形狀、材料和所需密度進行調(diào)整。您可以設(shè)置打印解決方案（打印機、固化站和熔爐），以遵循打印機制造商為獲得最佳部件而開發(fā)的設(shè)置方案。

打印機制造商提供的金屬粉末清單有限。盡管幾乎所有金屬注射成型粉末都可以噴射粘合劑，但每種材料都需要進行研發(fā)才能找到最佳參數(shù)。對于打印機制造商來說，花時間為每種粉末開發(fā)參數(shù)在經(jīng)濟上是不可行的，因此他們通常只提供幾種粉末，并且如果您需要特殊的東西，可以自行研發(fā)或共同合作。粘合劑通常是每個制造商專有的，并且經(jīng)過調(diào)整以與特定的粘合劑噴射打印頭噴嘴配合使用。

金屬粘合劑噴射價格
金屬粘合劑噴射的價格較為昂貴，起價為六位數(shù)，而且這僅適用于打印機單元。HP、Markforged，尤其是 Desktop Metal 的封裝和配置各不相同，因此很難縮小價格范圍。這些系統(tǒng)的主要消費者是為其他公司生產(chǎn)金屬零件的企業(yè)，例如 3D 打印服務(wù)機構(gòu)或金屬合同制造商，與 CNC 加工或金屬注塑成型相比，這些解決方案的速度和吞吐量可以實現(xiàn)投資回報，所以粘結(jié)劑噴射打印機在制造中具有很大的優(yōu)勢。


為什么使用金屬粘合劑噴射？


△Desktop Metal 金屬粘合劑噴射 3D 打印機生產(chǎn)的復雜金屬零件

與傳統(tǒng)金屬注塑成型和其他形式的金屬 3D 打印相比，粘合劑噴射具有多種優(yōu)勢。該技術(shù)在速度和吞吐量方面尤其出色，因為打印頭通常比其他技術(shù)中使用的激光或電子束工作得更快。此外，零件可以包裝并堆疊在構(gòu)建室內(nèi)，幾乎利用了每一厘米的空間。根據(jù)伊利諾伊理工學院材料、機械和航空航天工程系助理教授 Amir Mostafaei 的研究，粘合劑噴射有望主導其他制造領(lǐng)域，特別是金屬注射成型，因為它們共享相同的材料和工藝，以及尺寸和幾何細節(jié)，例如壁厚。

粘合劑噴射優(yōu)點：
●廣泛的材料選擇：粘合劑噴射與目前可用的各種粉末材料兼容，并且由于粉末金屬在許多其他傳統(tǒng)制造工藝中被燒結(jié)至全密度，它在應用中具有超越粉末床熔融的潛力，并且具有所有增材制造工藝中材料選擇范圍最廣。理論上，粘合劑噴射可以與任何粉末金屬材料和補充粘合液體一起使用。在實踐中，金屬粘合劑噴射 3D 打印機與精選材料“兼容”，因為這些材料具有相應的粘合劑，并且已經(jīng)過徹底的現(xiàn)場測試。

●冷加工：研究人員表示，粘合劑噴射打印過程在室溫下進行，避免了與熱殘余應力相關(guān)的問題，并使成型箱中零件周圍的粉末高度可回收，從而節(jié)省了材料成本。

●大打印體積：雖然就構(gòu)建室尺寸而言，粘結(jié)劑打印機不是最大的金屬 3D 打印機，但粘合劑噴射使能夠?qū)⒃S多不同的零件嵌套到一次打印運行中。這種大批量生產(chǎn)能力使其成為想要打印大量復雜零件或原型版本的公司的理想選擇。該技術(shù)受到 3D 打印服務(wù)機構(gòu)的青睞，可以將多個客戶的訂單整合到一個構(gòu)建中。

●沒有支撐：對于通過粘合劑噴射生產(chǎn)的任何零件幾何形狀，對支撐結(jié)構(gòu)的需求都顯著減少，因為粉末床通常提供足夠的支撐，這意味著更大的設(shè)計自由度（特別是對于創(chuàng)建內(nèi)部通道）、更少的材料浪費以及更少的移除支撐的時間和勞動力。

●高速：粘合劑噴射速度快且生產(chǎn)率高，因此可以經(jīng)濟高效地生產(chǎn)大量零件。盡管粘合劑噴射比單激光粉末床熔融金屬 3D 打印更快，但它并不比所有類型的激光粉末床熔融更快。

●多功能輸出：粘合劑噴射可以根據(jù)燒結(jié)溫度和時間產(chǎn)生具有受控孔隙率的各種密度，從而具有廣泛的用途。

粘合劑噴射缺點：
●多步驟：粘合劑噴射是一個多步驟過程，需要后處理步驟，其中涉及額外的設(shè)備。

●扭曲風險：使粘合劑噴射部件變得更致密的過程（燒結(jié)）可能會導致幾何形狀變形。然而，通過事先適當?shù)挠嬎悖ㄔ诖蛴�機軟件的幫助下）應該可以避免這種情況。

●體力勞動：將零件從打印機移至后處理機器并對打印零件進行除粉通常是手動過程。根據(jù)零件的幾何形狀，可以實現(xiàn)一些除粉自動化。


△使用 Markforged Metal 粘合劑噴射機制造的金屬零件

粘合劑噴射金屬零件質(zhì)量
出于上述所有原因，金屬粘合劑噴射對于金屬零件生產(chǎn)來說是一項非常有吸引力的技術(shù)，還有一個非常重要的點：輕量化。由于粘合劑噴射可以打印具有復雜圖案填充的零件而不是實心零件，因此所得零件的重量大大減輕，同時強度也很高。粘合劑噴射的孔隙率特征還可用于實現(xiàn)醫(yī)療應用的更輕的端部部件，例如植入物。

與其他增材制造工藝一樣，粘合劑噴射可以生產(chǎn)具有內(nèi)部通道和結(jié)構(gòu)的復雜部件，無需焊接，并減少了部件數(shù)量和部件重量。重新設(shè)計用于粘合劑噴射的金屬部件可以顯著減少材料的使用和浪費。粘合劑噴射部件表現(xiàn)出高表面光滑度，特別是在內(nèi)部通道中。


△粘合劑噴射金屬部件需要在熔爐中進行燒結(jié)步驟，以進一步提高金屬部件的密度

盡管具有諸多優(yōu)點，但市場上較為成熟的金屬粘合劑噴射打印機仍然很少。南極熊將重點介紹來自Desktop Metal、HP 和 Markforged的打印機。

HP金屬噴射 S100


△HP Metal Jet S100

幾十年來，惠普噴墨技術(shù)一直引領(lǐng)著廣泛的打印市場�；萜沼� 2014 年開始涉足聚合物 3D 打印，稱為 Metal Jet。HP Metal Jet 是一種粘合劑噴射技術(shù)，其燒結(jié)后密度超過 97%，與 MIM 類似。Metal Jet 多年來一直可供 Cobra Golf 等特定制造商使用，最新版本 Metal Jet S100 解決方案于 2023 年才向客戶提供�；萜盏莫毺刂�處在于使用了噴墨熱量中包含的熱元件，該熱元件不僅可以將粘合劑精確地輸送到粉末金屬床，而且還可以對其進行加熱以去除一些液體粘合劑。


△大眾汽車使用 HP Metal Jet 開發(fā)了提供定制零件的概念

惠普在整合工藝的所有部分方面做得很好，省略了最終的燒結(jié)爐。易用性的關(guān)鍵是控制每個步驟的軟件和一個滾動構(gòu)建單元，該單元可以簡單地從打印機推送到固化單元再到斷電和恢復站�；萜辗浅ｊP(guān)注金屬粉末處理的自動化。用戶根本不需要“處理”粉末，因為未使用的粉末已收集在粉末清除站中；然后，用戶只需將構(gòu)建單元滾入粉末管理站，粉末在此處混合、篩分并自動加載到另一個構(gòu)建單元中。最終零件可以進行機械加工和拋光，以滿足尺寸和表面光潔度要求。

惠普為 S100 提供開箱即用的 17-4 PH 和 316L 不銹鋼，但表示將與客戶合作開發(fā) MIM 中常用的其他金屬材料或特定于客戶應用的金屬材料。此外，惠普還提供一整套入門、維護和專業(yè)服務(wù)，幫助客戶從 HP Metal Jet 技術(shù)中獲得最大價值。

Markforged PX100


△Markforged PX100

Markforged 是使用金屬和聚合物擠出技術(shù)的領(lǐng)先 3D 打印機制造商之一，但為了擴展到金屬粘合劑噴射領(lǐng)域，該公司于 2022 年收購了瑞典金屬粘合劑噴射制造商 Digital Metal。2023 年，Markforged 將 Digital Metal DMP Pro 粘合劑噴射打印機更名為 Markforged PX100，有兩種尺寸可供選擇。

Digital Metal 曾是世界上最大、歷史最悠久的金屬粉末制造商之一 Höganäs 的一部分，成立于 2004 年，旨在探索可銷售更多金屬粉末的技術(shù)。PX100 最初的設(shè)計目的是證明金屬粘合劑噴射可以生產(chǎn)高質(zhì)量的零件，而不是作為可銷售的設(shè)備，但它的設(shè)計有點過度。然而，根據(jù) Markforged 的​​說法，這種工程設(shè)計帶來的精度和零件質(zhì)量使其與眾不同。


△Markforged 的​​ PX100 專門從事消費產(chǎn)品和醫(yī)療器械等應用的精細金屬 3D 打印

機器的底座是一塊花崗巖板，需要它來穩(wěn)定設(shè)備并消除打印過程中的振動，PX100 的重量幾乎是其他金屬粘合劑噴射打印方案的兩倍。平滑的線性電機和空氣軸承，可以使機器實現(xiàn)約為1微米的精度和。

該公司的粘合劑噴射解決方案專注于生產(chǎn)大批量的小型和復雜的金屬零件。憑借其 250 × 217 × 186 的打印量，可以制造更大的零件，客戶選擇這種解決方案是因為它能夠一次制造數(shù)百甚至數(shù)千個小零件，例如表盤和醫(yī)療器械。Markforged 提供完整的配件生態(tài)系統(tǒng)，涵蓋除粉和粉末管理，您可以選擇手動或自動版本。

打印機有一個下​​吸式工作臺，用于為打印機準備粉末，一個手動除粉站或半自動除粉站，以及一個全自動粉末處理系統(tǒng)，可連接到手動或半自動除粉站并自動分配新粉末、混合其與從除粉站收集的粉末一起，并以120公斤/小時的能力進行篩分。由于該方法不需要加熱、固化或干燥步驟，因此不需要長時間的冷卻或加熱，并且批次之間的時間可以短至 15 分鐘。

Desktop Metal生產(chǎn)系統(tǒng) P-50


△Desktop Metal生產(chǎn)系統(tǒng) P-50 是該公司的旗艦金屬 3D 打印機，也是市場上速度最快的打印機

Desktop Metal 的旗艦金屬粘合劑噴射 3D 打印機 Production System P-50 是一種用于大規(guī)模生產(chǎn)的高速金屬解決方案。生產(chǎn)系統(tǒng)于 2017 年推出，此后經(jīng)歷了多次升級和改進。Desktop Metal的突出特點包括“單程噴射”技術(shù)和“恒波傳播技術(shù)”。

粘合劑噴射涉及沉積粉末，將其鋪展成薄層，然后沉積粘合劑等多個步驟。單程噴射將這三個過程組合成一個統(tǒng)一的步驟，通過集成托架的一次通過，即可完成完整的一層打印。通過同時執(zhí)行這些步驟，每層只需 3 秒即可完成。Production Systems 的打印速度是三個品牌中最高的。同時，波擴散技術(shù)可確保每層粉末密度一致。


△Production System 金屬粘合劑噴射 3D 打印機具有一個帶有兩個粉末分配器的集成托架

生產(chǎn)系統(tǒng)具有氣體管理系統(tǒng)，可在構(gòu)建室內(nèi)維持惰性環(huán)境，這對于生產(chǎn)鈦和鋁等活性金屬零件是必需的。打印后，仍包裹在粉末中的部件被放入烤箱中以“激活粘合劑”，從而產(chǎn)生更堅固的綠色部件。然后將完成的成型箱移至除粉站，除去松散的粉末，并準備好部件進行燒結(jié)。


△左邊是在燒結(jié)過程中經(jīng)歷不均勻收縮和翹曲的零件，右邊是使用 Desktop Metal 的模擬軟件進行調(diào)整后的同一零件，該軟件可以在打印前預測并糾正零件設(shè)計中的變形

在軟件方面，Desktop Metal 提供了方便的“Live Sinter”模擬功能，可以預測并糾正使用粘合劑噴射技術(shù) 3D 打印的金屬零件的收縮和變形。只需 20 分鐘即可提供可燒結(jié)的可打印幾何形狀，并提供高度準確的最終零件結(jié)果。

經(jīng)過基于掃描的調(diào)整后，Live Sinter 能夠校正復雜的變形效應，生成的零件始終落在目標尺寸的 1% 以內(nèi)，偏差低至 +/- 0.3%，避免變形、翹曲和其他常見的燒結(jié)挑戰(zhàn)，以及與支撐或安裝人員相關(guān)的成本和時間。該生產(chǎn)系統(tǒng)使用 16 種不同的金屬生產(chǎn)零件，包括不銹鋼、銅、金、銀和活性金屬，但 Desktop Metal 還將與客戶合作實施其他材料選擇。

Desktop Metal  P-1
Desktop Metal 設(shè) P-1 旨在彌合粘合劑噴射研發(fā)與大規(guī)模生產(chǎn)之間的差距。P-1（于 2020 年推出）提供與其老版本 P-50 相同的零件質(zhì)量。它更小、速度更慢，但生產(chǎn)的零件具有與 P-50 相同的分辨率和質(zhì)量，能夠更經(jīng)濟高效地開發(fā)材料、粘合劑和設(shè)計流程。Desktop Metal生產(chǎn)系統(tǒng) P-1 和 P-50 均提供受控氣氛，包括惰性環(huán)境，嚴格管理可能干擾粉末動力學的濕度等屬性，并允許安全打印反應材料，例如鋁和鈦。


△打印機、干燥箱、粉末站、燒結(jié)爐

Desktop Metal 的車間系統(tǒng)（有四個構(gòu)建卷）旨在將金屬 3D 打印引入機械車間，該解決方案于 2019 年推出，可生產(chǎn)具有良好表面光潔度和分辨率的金屬零件，并且不需要專門的工程師。這個四單元完整系統(tǒng)包括打印機、干燥箱、粉末站和熔爐。打印后，將包含打印部件的整個成型盒放入烘箱中進行熱固化過程，從而在脫粉之前為生坯狀態(tài)的打印部件提供額外的強度。根據(jù)材料的不同，燒結(jié)前可能需要進行溶劑脫脂工藝。經(jīng)過烤箱后，包裹在粉末中的零件被送往除粉站，該站篩選并回收未使用的粉末以供重復使用。然后零件進入熔爐進行高溫燒結(jié)。商店系統(tǒng)打印機與生產(chǎn)系統(tǒng)一樣采用單通道打印，但不是雙向打印，因此打印速度稍慢。

與生產(chǎn)系統(tǒng)相比的另一個區(qū)別是支持。Desktop Metal表示，生產(chǎn)系統(tǒng)不需要支撐，節(jié)省了材料和勞動力，但車間系統(tǒng)可以通過陶瓷脫模層接口技術(shù)使用可分離支撐進行打印，并且可以在燒結(jié)后用手將其分離。

Desktop Metal X25 Pro


△Desktop Metal X25 Pro

Desktop Metal 在 2021 年收購其最接近的競爭對手 ExOne 時繼承了該公司的金屬粘合劑噴射技術(shù)和專利材料。此后，這些機器也進行了一些升級，包括：InnoventX、X25Pro 和 X160Pro。大約二十年前，ExOne 是金屬粘合劑噴射商業(yè)化的先驅(qū)之一。X 系列在很多方面與 Desktop Metal 的車間和生產(chǎn)系統(tǒng)不同。X 系列機器除了可以加工砂子、“復合粉末”和金屬粉末外，還可以加工氧化鋁和氮化鋁等陶瓷粉末。

X系列采用了該公司所稱的Triple ACT（先進壓實技術(shù)），這是一種正在申請專利的在打印過程中分配、散布和壓實金屬粉末的方法。該公司表示，X 系列系統(tǒng)可以實現(xiàn)小于 1% 的尺寸公差。相比之下，生產(chǎn)系統(tǒng)的尺寸公差為 ±2.0%。

X 系列和商店系統(tǒng)之間的另一個區(qū)別是打印頭。商店系統(tǒng)使用較便宜的熱敏打印頭，而 X 系列和生產(chǎn)系統(tǒng)打印機則使用壓電打印頭。Desktop Metal表示壓電打印頭可能具有更高的分辨率、更好的耐用性以及更多的性能和材料選擇。X 系列打印機也不具有像生產(chǎn)系統(tǒng)那樣的惰性環(huán)境。Desktop Metal 的各種機器設(shè)計方法解決了不同的挑戰(zhàn)并提供了不同的優(yōu)勢。

Desktop Metal X160 Pro


△Desktop Metal 的 X160 Pro 金屬粘合劑噴射系統(tǒng)是該公司最大的

Desktop Metal 的 X160 Pro 是 X25 Pro 的更大版本，具有幾乎所有相同的功能，它的速度也幾乎是原來的兩倍。X60 Pro 專為高吞吐量和大型零件生產(chǎn)而設(shè)計，提供 160 升的總構(gòu)建體積，足以生產(chǎn)汽車、航空航天和國防工業(yè)中使用的零件。X160 Pro 有 4 個壓電打印頭（4,096 個噴嘴）。Desktop Metal 表示，X160 配備了完整的輔助設(shè)備工作單元，例如粉末調(diào)節(jié)和除粉系統(tǒng)。