武漢易制蔡道生：生產(chǎn)級MBJ(金屬粘結(jié)劑噴射成型)3D打印速度到底多少算得上優(yōu)秀？

導(dǎo)讀：MBJ(金屬粘結(jié)劑噴射成型)在批量生產(chǎn)方面有著巨大的優(yōu)勢，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療健康、電子設(shè)備等領(lǐng)域。那么生產(chǎn)級MBJ的打印速度到底多少算得上優(yōu)秀？如何提高MBJ系統(tǒng)的打印速度呢？來自武漢易制科技的蔡道生對此發(fā)表了自己的見解。

易制科技(EasyMFG)成立于2013年12月，公司核心研發(fā)團隊源于華中科技大學(xué)，深耕3D打印行業(yè)二十多年，曾獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎、湖北省科技進步一等獎及多項省部級獎勵，主持和參與過多項國家“863”重大專項、國家重點研發(fā)計劃、國家數(shù)控重大專項、國家支撐計劃、湖北省重大科技創(chuàng)新項目等多項大型項目，依靠自身在SLS、SLM、SLA等多種主流3D打印相關(guān)技術(shù)等方面的沉淀和積累，自主開發(fā)"粘結(jié)劑噴射金屬3D打印系統(tǒng)"、面向鑄造行業(yè)的"砂型打印機"和"全彩色3D打印機"，其中最新核心產(chǎn)品"粘結(jié)劑噴射金屬3D打印系統(tǒng)MBJ"在國內(nèi)最先開展商業(yè)應(yīng)用。

一、MBJ技術(shù)介紹



Binder Jetting (BJ)的發(fā)明可以追溯到80年代末和90年代初，主要歸功于麻省理工學(xué)院的兩位教授（Emanuel Sachs和Michael Cima）。起初，這項技術(shù)的專利名稱叫做“Three-dimensional Printing”，可能是因為粘合劑噴射的過程與普通家用噴墨打印機的過程極為相似，后來，人們更廣泛地使用了ASTM標(biāo)準(zhǔn)所定制的名字——Binder Jetting。



粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)是面向批量經(jīng)濟型金屬零件的打印應(yīng)用市場而誕生的，與幾乎所有其他金屬3D打印工藝相比都是獨一無二的，因為在3D打印過程中不會產(chǎn)生大量的熱量，這使得高速打印成為可能，并避免了金屬3D打印過程中的殘余應(yīng)力問題。由于其具有效率高、速度快、設(shè)備成本低、無需額外支撐等特點，在業(yè)界被普遍認(rèn)為是真正可以大規(guī)模量產(chǎn)的一個技術(shù)路線，可進入社會化大制造，市場潛力達(dá)萬億美元級別。該技術(shù)正以不可思議的方式改變業(yè)界對這項技術(shù)先入為主的認(rèn)知，《MIT科技評論》把該技術(shù)評為2018年全球十大突破性技術(shù)，評價其意義在于“可以快速、低成本地制造大型金屬對象，可能會給制造業(yè)帶來顛覆性改變”。蔡道生表示，總體而言，金屬BJ技術(shù)近年才引起關(guān)注，技術(shù)成熟度還在不斷提升。



成型原理：BJ技術(shù)使用噴墨打印頭將粘合劑噴到粉末中，從而將一層粉末在選擇的區(qū)域內(nèi)粘合。每一層粉末又會同之前的粉層通過粘合劑的滲透結(jié)合為一體，如此層層疊加制造出三維結(jié)構(gòu)的物體。這項技術(shù)適用于高分子材料、金屬和陶瓷材料的制造。當(dāng)用于金屬和陶瓷材料時，原型件需要通過高溫?zé)�結(jié)將粘合劑去除，以獲得有一定密度和強度的成品。

技術(shù)優(yōu)勢：
●線成形效率高

●無熱源成型應(yīng)力小，可以實現(xiàn)無支撐堆疊打印


●成型-致密化過程分離，可實現(xiàn)批量生產(chǎn)

●成本低，以鈦合金為例，BJ的成本比SLM的成本低70%。



△BJ與其他傳統(tǒng)工藝在批量生產(chǎn)方面的對比

如上圖所示，是BJ與其他傳統(tǒng)工藝在批量生產(chǎn)方面的對比。AM1.0技術(shù)(如FDM、PBF）的成本盈虧平衡點通常在100到1000件，適合小批量的生產(chǎn)制造。從圖上不難看出，相比于其他AM技術(shù)，BJ很適合大批量生產(chǎn)，其成本很低，但在批量生產(chǎn)達(dá)到100K后，相比于傳統(tǒng)制造(鑄造、MIM），其成本優(yōu)勢逐步降低，這主要是因為其打印速度的限制，那么生產(chǎn)級MBJ的打印速度到底多少算得上優(yōu)秀？



蔡道生表示，目前很多廠商在介紹MBJ技術(shù)時，用“最大打印體積”模糊“真實打印速度”。所見的實際速度大多在15~60秒/層，一線廠商的生產(chǎn)極設(shè)備打印速度在10~20秒/層。整體速度還是偏低，如果想要再降低生產(chǎn)級BJ的成本，打印速度要小于13秒，終極目標(biāo)應(yīng)該在7秒左右。

二、打印速度的影響因素

MBJ打印過程由以下幾個方面組成：
1.軟件:切片 RIP
2.鋪粉
3.打�。簢娔�速度 滲透速度
4.單層打印次數(shù)

蔡道生表示，真正限制MBJ打印速度的影響因素主要是鋪粉和墨水的滲透，其他環(huán)節(jié)應(yīng)該與舖粉和滲透限制的最大時間相匹配，機械運動要達(dá)到幾乎等待無間隙的！鋪粉需要具有壓實功能，少產(chǎn)生揚塵，與粉末流動性息息相關(guān)；滲透速度要提高，但過高的滲透效果會影響精度。

具體而言的改進方向：

1.機械運動：
●為提高鋪粉致密度（>55%），鋪粉機構(gòu)需要具備壓實功能，采用鋪粉輥來壓實是最常規(guī)的手段。

●一個長度400mm的工作缸，鋪粉機構(gòu)的最短運行長度為700mm左右，目前來看100mm/s的鋪粉速度可以保證較好的鋪粉致密度和較少的揚塵。

●最理想的效果是打印時間等于鋪粉時間。

2.打印噴頭配置方面：
●主流壓電噴頭的物理分辨率為600NPI。

●單排噴頭實現(xiàn)1200DPI打印需要兩次（往復(fù)運動一次）。

●打印與鋪粉并行工作。

●對于高速打印，打印與鋪粉同向是最佳方式，可以保證耗時雖短。

●鋪粉機構(gòu)鋪完粉之后返回的空行程運動時間對于單次打印時間。約2~3秒。

●要做到最高速度打印，打印時間等于鋪粉時間時，需配備雙排噴頭保證1200DPI分辨率，同時鋪粉機構(gòu)需要保證雙向鋪粉，此時復(fù)雜度和成本急劇增加。

3.其他方面：
●軟件整體需要保證數(shù)據(jù)處理時間小于鋪粉時間。

●切片軟件需要保證在線切片時間小于3秒，過于復(fù)雜的文件可以采用離線切片。

●對于400mm長寬的打印面積，打印數(shù)據(jù)處理時間需要在5秒以內(nèi)完成。這一點其實很難，需要在算法和數(shù)據(jù)格式方面著手解決。

●墨水滲透需要在合適的程度，滲透性差的墨水在短時高速打印時會推粉和粘鋪粉輥，過高的滲透率會影響精度，又需要從精細(xì)控制墨量方面解決，涉及到RIP和噴頭墨滴控制，這就是采用BJ技術(shù)做砂型和金屬打印的不同之處和難點。

●其他如噴頭擦拭等輔助動作都需要在鋪粉過程中并行工作同步完成。對于高速打印，打印與鋪粉同向是最佳方式，可以保證耗時最短。

三、推薦方案介紹



△集成方案

EASYMFG金屬機產(chǎn)品系列

△M550Max

M550Max：專為處理中到大型零部件的生產(chǎn)而設(shè)計，具有無與倫比的精度和效率。

△M400Pro

M400Pro該機型提供快速可靠的打印能力，為中小尺寸零件快速生產(chǎn)而設(shè)計。

△M150Inno

M150Inno: 作為粘結(jié)劑噴射金屬3D打印機的入門級模型，M150Inno專為滿足大學(xué)和研究機構(gòu)在材料探索、工藝創(chuàng)新等相關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)需求而設(shè)計。

設(shè)備型號	M550Max	M400Pro	M150Inno
成型空間(mm)	L550×W370×H200	L400×W220×H200	L150xW70xH70
制件精度	±0.05mm
打印速度	10-15S/層
成型層厚(mm)	0.03-0.1 可調(diào)
送粉方式	篩分壓實上送粉，兼容各種形貌粉末
密封性	密閉結(jié)構(gòu)，可通惰性氣體
打印方式	One pass打印，鋪粉打印并行工作，效率高
工作缸固定方式	工作缸可更換
噴頭數(shù)量	壓電式噴頭，噴頭寬度等于工作缸的寬度
分辨率	噴頭NPI:600; 打印分辨率:1200
軟件支持格式	STL、3MF
電源要求	單相，220V，10A，50HZ
成型材料	鈦合金、鐵基粉末、銅粉、不銹鋼粉等

更多內(nèi)容查看易制科技官網(wǎng)：http://easy3dmade.com/，易制科技新官網(wǎng)www.easymfg3d.com將會在近期發(fā)布。