【綜述論文】粘結(jié)劑噴射3D打印缺陷的類型、形成機制、影響和消除方法

來源： 紅外薄膜與晶體



導讀：近日哈爾濱工業(yè)大學紅外薄膜與晶體團隊從缺陷角度對粘結(jié)劑噴射工藝（Binder Jetting，BJ）進行了一個全面的綜述。根據(jù)BJ成型機理，首次系統(tǒng)地將BJ相關(guān)成型缺陷分為切片缺陷、鋪粉缺陷、單層打印缺陷、多層打印缺陷和脫粉缺陷五類。特別強調(diào)了粘合劑與粉末床相互作用引起的異�，F(xiàn)象，這從根本上將 BJ 與傳統(tǒng)的增材制造工藝區(qū)分開來，對粘結(jié)劑增材制造領(lǐng)域的成型質(zhì)量的基礎(chǔ)研究具有重要意義。相關(guān)成果以Review of the types, formation mechanisms, effects, and elimination methods of binder jetting 3D-printing defects為題發(fā)表在中科院1區(qū)TOP期刊Journal of Materials Research and Technology（IF：6.4）上。

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https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.11.045

01
前言

粘合劑噴射(BJ) 于1993年由麻省理工學院發(fā)明。其形成過程主要依賴于粉末-粘合劑-粉末方法的粘合，因此BJ幾乎可以打印任何可以完成粉末鋪展過程的材料，例如316L、銅、鈦合金、SiC和WC。BJ 打印的復雜結(jié)構(gòu)部件，如圖1所示。此外，作為能量輸入最低的3D打印方法，BJ具有較低的熱殘余應力、更高的生產(chǎn)率和更好的粉末可回收性等優(yōu)點。因此，BJ具有巨大的發(fā)展?jié)摿�。目前，對成型過程中缺陷背后的機制缺乏了解仍然是BJ技術(shù)發(fā)展的主要障礙。與廣泛研究的激光打印方法相比，關(guān)于 BJ 缺陷的報道仍然零散且缺乏全面的分析。



圖1 BJ 打印零件

目前，BJ研究綜述主要集中在打印粘合劑、打印材料和打印工藝參數(shù)。這些過程中缺陷的耦合效應常常被忽視。沒有任何報告提供詳細而深入的總結(jié)。Dini等重點介紹了BJ成形過程中的粘結(jié)劑注入過程和燒結(jié)過程，以及缺陷及其緩解方法。然而，他們忽視了粉床內(nèi)粘結(jié)劑累積和滲透所產(chǎn)生的綜合缺陷，包括“bleeding”、“weak binding”、“shearing”等問題。Pastre等對BJ形成過程中遇到的缺陷及其影響因素進行了初步回顧。然而，他們的討論僅限于從宏觀層面的缺陷進行不太全面和孤立的總結(jié)。忽略了粉末鋪展對粉末的限制以及噴射工藝對粘合劑的要求。此外，他們沒有提供針對這些缺陷的機制、互連和克服策略的深入總結(jié)�？傮w而言，迄今為止，還沒有專門針對BJ缺陷的綜合報道。這也是本綜述的首要目的：率先全面概述當前BJ成型工藝中遇到的缺陷，深入研究了缺陷形成的機制、克服策略。



圖2 BJ打印原理及相應缺陷分類示意圖

02
切片缺陷

當獲得打印模型之后，3D打印的第一步是將 3D 計算機輔助設(shè)計 (CAD) 模型轉(zhuǎn)換為 2D 平面，以便逐層制造。由于單層打印表面厚度的存在以及CAD模型的任意性，打印部分與CAD模型的邊界很難準確匹配，導致打印圖形與CAD模型之間存在差異。我們將這些差異稱為“切片缺陷”。研究人員主要將切片缺陷視為“階梯效應”。盡管相關(guān)研究較少，但由于粘合劑滲透造成的滲透誤差不可忽略。減少打印過程中切片缺陷造成的精度下降，從而縮短后處理周期仍然是一個挑戰(zhàn)，需要對BJ切片缺陷進行深入探索才能解決。



圖3 切片缺陷示意圖

這種缺陷隨著成型液滴尺寸的減小而減小，這是研究人員尋求打印更小的液滴的最重要原因之一。然而，對于現(xiàn)有的 BJ 打印系統(tǒng)，較小的墨滴意味著更高分辨率的打印頭，這會導致打印頭穩(wěn)定性較差和更高的生產(chǎn)成本。因此，更高分辨率、更穩(wěn)定的打印頭構(gòu)成了高精度BJ形成的基礎(chǔ)。值得一提的是，可以改變單層打印信息實現(xiàn)局部墨量控制的灰度打印方式逐漸引起人們的關(guān)注。相鄰打印位置之間的灰度差異可用于抑制粘合劑流動以控制局部有效飽和度。

03
鋪粉缺陷

粉末鋪展過程中的缺陷在粉床類（Powder Bed Based，PBB） 打印方法中很常見。特別是，在BJ中，生坯的強度普遍弱于其他PBB打印方法。低強度表明生件對粉末鋪展工藝參數(shù)的選擇更加敏感。粉末密度幾乎決定了BJ打印部件的密度。在獲得高粉末密度的過程中避免粉末鋪展缺陷是一個挑戰(zhàn)。針對不同的打印材料，鋪粉工藝參數(shù)是解決問題的關(guān)鍵。

鋪粉效果的影響因素總結(jié)于表1中。粉末的粒徑與其流動性和粉床的密度密切相關(guān)。選擇合適的粒度分布是平衡鋪粉效果和密度的關(guān)鍵。粉末鋪展性能無疑是評價材料能否通過BJ工藝成型的重要指標，作為PBB打印方法，特別是低強度打印生坯的BJ。有效的粉末鋪展工藝可以有效地發(fā)揮 BJ 粉末的全部潛力。粉末鋪粉裝置的當前狀態(tài)似乎遇到了限制。探索對粉末表面進行修飾以增強粉末鋪展的有效性可能是 PBB 打印未來的一個有前途的方向。




04
單層打印缺陷

由于BJ分層成型的特點，鋪粉后粘合劑的選擇性沉積（單層打印工藝）是成型過程的基礎(chǔ)。我們根據(jù)打印過程將單層打印過程分為三個部分：粘合劑噴射（第4.1節(jié)）、粘合劑與粉末床接觸（第4.2節(jié)）和原位加熱（第4.3節(jié)）。盡管一些研究人員對此過程的部分內(nèi)容做出了出色的報告，關(guān)于缺陷的綜合報道很少。單層打印缺陷在成型過程中難以識別；然而，它們對最終打印部件性能的影響不可忽視。系統(tǒng)地闡明這些缺陷的原因和影響至關(guān)重要，這對 BJ 具有重要意義。



圖4 堵頭缺陷


圖5 粘結(jié)劑-粉末撞擊缺陷


圖6 “Balling”缺陷

05
多層打印缺陷

通過粘合劑沉積獲得完整理想的打印圖案后，值得注意的是，單層的完美并不意味著打印部件的完美。逐層累積的效果會導致打印件變得不可預測。在BJ打印過程中，缺陷的層層積累大多是由于工藝參數(shù)錯誤選擇造成的。研究人員主要致力于克服這些缺陷。常見的多層累積缺陷包括“shearing”、“bleeding”和“weak binding”。我們之前在3.3節(jié)中討論過“shearing” 。BJ打印零件的“bleeding”現(xiàn)象，如圖7所示，最早由Harris提出；它是粘合劑在高度飽和狀態(tài)下的宏觀流動。它通常表現(xiàn)為打印部件底部過多的粉末結(jié)合。形成這種現(xiàn)象的原因在于粘合劑在重力驅(qū)動下沿著壓力梯度運動。表面上的過度擴散稱為“羽化”，這通常是由水平方向的毛細管力引起的。有學者認為，凡是超出設(shè)定打印面積的，統(tǒng)稱為“bleeding”。為了清楚起見，滲色和羽化在本文中被稱為“bleeding”。



圖7 “Bleeding”缺陷

粘結(jié)劑的干燥和粉床內(nèi)的毛細管壓力是影響“bleeding”現(xiàn)象的兩個主要因素。Crane研究了干燥條件對BJ打印的影響，發(fā)現(xiàn)隨著粘合劑用量的增加，在加熱條件下不會出現(xiàn)“bleeding”現(xiàn)象。這可能是由于層間粘合劑中溶劑的蒸發(fā)增強所致。然而，通過延長干燥時間來增加粘合劑的蒸發(fā)會縮短打印頭的壽命。對于一些不含蒸發(fā)溶劑的粘結(jié)劑，原位固化可以有效提高粘結(jié)劑固化的有效飽和度。

06
脫粉缺陷

作為打印生坯成型工藝的最后一步，脫粉幾乎決定了生坯的表面粗糙度。目前，BJ脫粉過程僅靠人工操作。因此，操作人員的脫粉熟練程度直接關(guān)系到脫粉的質(zhì)量。盡管脫粉限制了工件 BJ 成形的精度，但對脫粉的研究還很少。由于與脫粉相關(guān)的固有挑戰(zhàn)，研究人員就打印部件的尺寸限制達成了共識，如表 2所示。最小尺寸限制隨著打印部件復雜性的降低而增加。

07
總結(jié)與展望

由于成型坯體內(nèi)部超低粘結(jié)劑含量，與其他3D間接成型技術(shù)相比，BJ顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＴ谶@篇綜述中，我們對BJ成型過程中遇到的缺陷進行了總結(jié)和分類。具體來說，全面總結(jié)了缺陷產(chǎn)生的原因、它們?nèi)绾斡绊懘蛴〔考�的性能以及如何克服它們。此外，還從缺陷角度討論了當前 BJ 成形方法發(fā)展的瓶頸。為BJ工業(yè)生產(chǎn)實際中缺陷的實時監(jiān)控提供參考，促進BJ工業(yè)化的發(fā)展。有理由相信，這篇綜述填補了BJ研究中相關(guān)缺陷的空白。主要結(jié)論如下：
(1) BJ成型過程中發(fā)現(xiàn)的缺陷可分為五類：切片缺陷、鋪粉缺陷、單層打印缺陷、多層堆積缺陷和脫粉缺陷。它們與傳統(tǒng) 3D 打印的區(qū)別已經(jīng)凸顯出來。數(shù)值公式和物理模型可以幫助讀者闡明缺陷的起源和物理意義。這些缺陷的變化及其對打印部件的影響已在理論上得到了很好的解決。
(2) BJ成型工藝的核心在于粘合劑和粉末之間的基本滲透機制。因此，“bleeding”現(xiàn)象是當前BJ缺陷研究的首要焦點�！癇leeding”不限于特定類型的材料，而是幾乎所有類型的材料都可能發(fā)生�？朔�此類缺陷的關(guān)鍵在于飽和度的研究，它決定了生坯精度和強度之間的平衡。
(3) 實際上，本文討論的缺陷通常不會單獨出現(xiàn)。工藝參數(shù)或材料選擇不當也可能導致多種缺陷協(xié)同出現(xiàn)。此外，打印件的性能與這些缺陷的耦合相互作用密切相關(guān)。因此，在BJ打印中需要考慮多種缺陷的影響。