多噴射融合3D打印（MJP）：原理、打印機(jī)、應(yīng)用、材料以及替代方案

多射流融合 (MJF)在3D打印領(lǐng)域?qū)儆谙鄬�較新的技術(shù)，但在短短幾年內(nèi)，MJF已經(jīng)開始邁向工業(yè)化。如今，MJF被制造商廣泛采用，是一種可靠的零件制造技術(shù)，適用于汽車零件、工廠工具、骨科支架以及消費(fèi)品等各種產(chǎn)品。



MJF 3D打印機(jī)最新系列是Jet Fusion 5400系列，首先介紹HP Jet Fusion 5420W 打印機(jī)，除了可以打印普通的深灰色尼龍材料，還可以打印白色的尼龍材料。這種新型白色材料解決方案受到醫(yī)療、汽車和消費(fèi)品行業(yè)的追捧，為獲得更鮮艷的色彩和更好的光折射提供了后處理機(jī)會。

MJF 也被應(yīng)用于鞋類，不僅與法國運(yùn)動品牌迪卡儂合作，還與奢侈品牌 Botter 合作推出3D 打印概念運(yùn)動鞋(見上圖)。該鞋采用柔性 TPU 材料打印，這也是自行車裝備制造商Posedla為其定制 3D 打印自行車鞍座 Joyseat選擇的材料。


△Reebok/Botter 和迪卡儂的3D打印概念鞋，采用3D 打印Multi Jet Fusion 技術(shù)

多射流融合的技術(shù)原理


△HP Jet Fusion 5420W 解決方案

Multi Jet Fusion 是惠普于 2016 年向市場推出的一項(xiàng) 3D 打印技術(shù)，該技術(shù)是在惠普數(shù)十年在噴墨打印、可噴射材料、精密低成本機(jī)械、材料科學(xué)和成像方面的研究基礎(chǔ)上進(jìn)行的。簡單來說，該技術(shù)使用一種液體粘合劑將粉末狀聚合物材料逐層熔合在一起，因使用多個噴墨頭而得名。請注意，不要將惠普的 Multi Jet Fusion 與其金屬打印機(jī)中使用的Metal Jet打印工藝混淆，二者非常相似，Metal Jet使用金屬粉末而不是塑料。本文介紹的重點(diǎn)是多噴射融合技術(shù)，僅使用塑料。


△MJF 流程分為五個步驟

盡管 MJF 并不完全屬于國際標(biāo)準(zhǔn)組織 (ISO) 定義的七個 3D 打印技術(shù)類別之一，但它是粘合劑噴射的一種。所有粘合劑噴射 3D 打印技術(shù)均使用噴墨打印頭將液體材料噴射到粉末材料層上。傳統(tǒng)上，塑料或聚合物粘合劑噴射是一種“冷”技術(shù)，但惠普在打印過程中引入了熱量，這大大改變了該過程。

在多噴射融合打印過程中，打印機(jī)在打印床上鋪設(shè)一層材料粉末。隨后，噴墨頭會在粉末上運(yùn)行，并根據(jù)所需零件的數(shù)字模型在粉末上沉積熔合劑和細(xì)化劑。紅外線加熱裝置也會在打印品上移動。無論在何處添加熔合劑，下面的層都會“熔化”在一起，而暴露于細(xì)節(jié)劑的區(qū)域不會完全熔合，沒有涂抹藥劑的區(qū)域仍然是粉末。未熔化的粉末支撐熔化的材料，消除了支撐。為了完成打印過程，整個粉末床以及其中的打印部件被移動到一個單獨(dú)的處理站。在這一步驟中，大多數(shù)松散的未熔化粉末被真空吸走，可以重復(fù)使用。


△借助 HP 3D 打印，Triple August Race Engineering 能夠以更快的速度生產(chǎn)輕質(zhì)但堅(jiān)固的零件

多射流融合是一種多功能技術(shù)，已在許多行業(yè)中得到應(yīng)用，它在開發(fā)過程的各個方面為制造商提供了幫助，從原型設(shè)計(jì)到創(chuàng)建用于現(xiàn)場測試的功能原型，再到制造最終零件。

多射流融合的應(yīng)用領(lǐng)域
通過 MJF 取得成功的一些行業(yè)包括：

●汽車
MJF 3D 打印正在幫助汽車和車輛制造商降低零部件生產(chǎn)成本，同時提高運(yùn)營效率。一家西班牙汽車零部件供應(yīng)商（Continental Automotive Spain SA）使用 MJF 打印開發(fā)氣動夾具，縮短新零件加工時間。在捷豹路虎，汽車工程師正在使用 HP Multi Jet Fusion 為工廠工人開發(fā)下一代防護(hù)設(shè)備；通用汽車新建的 15,000 平方英尺增材工業(yè)化中心將 HP MJF 機(jī)器納入其3D打印機(jī)群中，用于生產(chǎn)原型零件、工具、固定裝置和最終用途零件。


△Invent Medical 的 3D 打印 Raptor 面罩由 HP Multi Jet Fusion 3D 打印機(jī)制成

●醫(yī)療科技
疫情期間3D打印和數(shù)字制造的優(yōu)勢持續(xù)增長，彌合了供應(yīng)鏈差距并提高了從設(shè)計(jì)到零件的速度。HP 及其全球合作伙伴和客戶網(wǎng)絡(luò)已 3D 打印了超過 500 萬個零件，以滿足迫切需求并組建新的生態(tài)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)本地制造。

在醫(yī)療和牙科行業(yè)中，3D打印應(yīng)用和大規(guī)模個性化產(chǎn)品正在呈現(xiàn)爆炸式增長。田納西州納什維爾的 SmileDirectClub 擁有 60 臺 HP Multi Jet Fusion 打印機(jī)，全天候工作來制作定制牙科模具；HP Jet Fusion 3D 打印機(jī)也正在改變矯形器行業(yè)，并實(shí)現(xiàn)可定制醫(yī)療假肢的生產(chǎn)；Invent Medical使用 HP 白色 PA12 制造定制矯形器和假肢設(shè)備，為兒科護(hù)理提供新的打印后著色可能性。


△眼鏡是使用 HP Multi Jet Fusion 3D 打印制造的增長最快的消費(fèi)品類別之一

●消費(fèi)品
許多類型的消費(fèi)品需要生產(chǎn)小批量、復(fù)雜形狀的零件。百事可樂是世界領(lǐng)先的食品和飲料公司之一，當(dāng)他們試圖設(shè)計(jì)一種小面罩來覆蓋飲料罐作為與黑豹電影搭配的產(chǎn)品時，遇到了阻礙。百事可樂公司測試了各種3D打印技術(shù)，以制造超級英雄面具的精細(xì)細(xì)節(jié)并還原深黑色。最終，MJF 憑借其高生產(chǎn)速度和耐用性脫穎而出；惠普還與體育用品和眼鏡行業(yè)的客戶合作，使用 Multi Jet Fusion，Oakley正在縮短其眼鏡以及其他運(yùn)動裝備的產(chǎn)品開發(fā)階段。Smith為 I/O MAG Imprint 滑雪護(hù)目鏡定制的3D打印框架被評為《時代》雜志2022 年最佳發(fā)明之一。

多射流融合的優(yōu)缺點(diǎn)


△HP MJF 機(jī)器作為制造解決方案的渲染圖

優(yōu)點(diǎn)
●打印速度快
●大批量生產(chǎn)周期
●精確打印，呈現(xiàn)精美細(xì)節(jié)
●個人打印成本低
●設(shè)計(jì)自由，無需支撐
●粉末回收減少浪費(fèi)
●能夠在后處理中為零件著色
●高品質(zhì)表面光潔度
●一致的機(jī)械性能

缺點(diǎn)
●昂貴的初始打印機(jī)投資
●所有專有材料
●無法生產(chǎn)一些彎曲的、空心的幾何形狀
●最終產(chǎn)品是灰色的，沒有染色劑（使用新的 Jet Fusion 5420W 解決方案打印時除外）

HP 的 MJF 機(jī)器陣容


△HP 3D Jet Fusion 4200 系列 3D 打印機(jī)

HP主要有兩套 HP Multi Jet Fusion 3D 打印機(jī)及配套設(shè)備：2016 年推出的 HP 3D Jet Fusion 4200（此后進(jìn)行了一些升級）和 2019 年推出的 HP Jet Fusion 5200 系列；還有 2019 年推出的 5420W 2023，與 5200 系列幾乎相同，只是打印系統(tǒng)僅專用于白色部件。惠普還有其他 MJF 機(jī)器，主要用于原型設(shè)計(jì)，現(xiàn)已退役。

4200系列
4200系列是 HP 第一個針對小批量和大批量生產(chǎn)的零件，它非常適合工業(yè)原型設(shè)計(jì)和最終零件生產(chǎn)。4200號稱是一款易于使用的解決方案，可根據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行擴(kuò)展，它使用HP專有的熔合劑和細(xì)化劑及材料，外部罐可以從處理站提取重復(fù)使用的材料，以便用不同的材料替換。

自動化材料混合和裝載系統(tǒng)可簡化工作流程并減少勞動力，這套機(jī)器包括一個封閉的拆包和材料收集系統(tǒng)以及一個冷卻模塊，因此可以拆除成品打印床并用新的打印床進(jìn)行替換，以最大限度地減少停機(jī)時間。


△完整的 HP Jet Fusion 5200 系列（來源：HP）

5200系列
5200 系列是惠普用于批量生產(chǎn)的專用 3D 打印機(jī)，這意味著數(shù)千或數(shù)十萬個零件。與 4200 相比，它具有升級的燈功率以及一系列效率和速度進(jìn)步。5200 系列包括 5210 和 5210 Pro 等變體，在運(yùn)行成本、體積、材料兼容性和內(nèi)部組件升級方面存在各種差異。

5420系列
此打印機(jī)、后處理站和構(gòu)建單元無法打印灰色部件，能夠打印公司獨(dú)有的白色尼龍 PA 12 材料。與灰色或黑色相比，使用白色部分進(jìn)行打印的優(yōu)點(diǎn)之一是白色部分更容易染上更亮的顏色。由于染色 MJF 零件非常常見，因此行業(yè)客戶一直在尋求一種解決方案來生產(chǎn)顏色鮮艷的最終用途零件。

5420W生產(chǎn)的白色部件還通過了包括細(xì)胞毒性在內(nèi)的多項(xiàng)生物相容性規(guī)范測試，滅菌也可在高達(dá) 132 ℃ 的溫度下成功進(jìn)行多次循環(huán)，時間長達(dá) 30 分鐘。如果用戶的機(jī)群中已有 5200 系列打印機(jī)并希望升級到 5420，HP 會提供升級套件。

用于多射流聚變的材料


△巴斯夫和惠普合作為 MJF 開發(fā)新型工業(yè)級聚丙烯

最初，Multi Jet Fusion 僅與尼龍 PA 12 粉末兼容。但在該技術(shù)上市的幾年里，可用材料的范圍已經(jīng)擴(kuò)大，而且新材料仍在開發(fā)中。盡管多射流融合是粉末床融合的一種，但這并不意味著所有粉末床兼容材料都適用于 MJF，MJF 的材料清單比粉末床熔融少得多。2020 年，惠普與巴斯夫合作開發(fā)了一種新型耐用且耐化學(xué)腐蝕的聚丙烯，他們的最新產(chǎn)品是高可重用性 PA 12 W，其中 W 代表其白色，可以在其 5420W 打印機(jī)上使用； Lubrizol推出其最新的 MJF 兼容材料 Estane 3D M88A TPU。

MJF 兼容材料包括：

●High Reusability (HR) PA 12 Nylon
●HR PA 12 Glass Bead (GB)
●HR PA 12 W (white)
●HR PA 11
●HR PP enabled by BASF Production
●Estane 3D TPU – M95A from Lubrizol
●Ultrastint TPU01 from BASF
●TPA from Evonik/HP
●Estane 3D TPU M88A


△在 HP Jet Fusion 580 上以全彩打印的部件

惠普曾經(jīng)提供全彩 Multi Jet Fusion 技術(shù)，但遺憾的是在 2021 年停產(chǎn)了 HP Jet Fusion 380 機(jī)器。一些按需 3D 打印服務(wù)仍然擁有這款打印機(jī)，但惠普不再支持它。如果您正在尋找全彩3 打印件，可以看看3D Systems ProJet CJP 260Plus、Mimaki 3DUJ-2207 或 Stratasys J750 和 J55。

多射流融合的替代方案


△Voxeljet X200 HSS 和 Stratasys H350 SAF 均使用噴墨技術(shù)粘合尼龍粉末，然后與 MJF 類似的熱能將其熔化

選擇性吸收融合 (SAF)是來自3D打印機(jī)和材料制造商 Stratasys 的另一種專有粉末床融合技術(shù)。SAF 使用紅外吸收液將尼龍粉末顆粒層狀熔合在一起來制造零件。工業(yè)級壓電打印頭將流體噴射到指定區(qū)域，以創(chuàng)建零件的每個橫截面。隨后暴露在紅外能量下，導(dǎo)致具有流體的區(qū)域熔化并熔合在一起。重復(fù)該序列直到零件完成。Stratasys 的 SAF 3D 打印機(jī)是 H350


△Voxeljet 提供一種稱為高速燒結(jié)(HSS)的聚合物粉末床融合技術(shù)，該技術(shù)不使用激光并可實(shí)現(xiàn)快速打印

與MJF 一樣，SAF 是一種比使用激光的技術(shù)更快的尼龍零件生產(chǎn)方法。這兩種方法都與Voxeljet 的高速燒結(jié) (HSS)相似。HSS的塑料材料范圍很大，不僅包括尼龍和TPU，還包括聚丙烯（PP）和乙烯醋酸乙烯酯共聚物（EVA）。