詳解：粘合劑噴射成形3D打印技術(shù)

伴隨著GE對Arcam和SLM Solutions的收購風(fēng)波，3D打印家族中的粉床熔化成形工藝奠定了在媒體界寵兒的地位。粉床熔化成形工藝在成形制造全密度結(jié)構(gòu)的材料，特別是金屬材料，具有其獨特的優(yōu)勢。不過，在3D打印這個領(lǐng)域，可謂是一個藤上七朵花。今天要講到的是粘合劑噴射成形技術(shù)，這種工藝可以成形金屬、陶瓷、砂模等多種不同材料、不同功能的器件。靖哥有幸請到博士生白云，為大家專業(yè)解讀粘合劑噴射成形技術(shù)的方方面面。

作者簡介：
白云，本科畢業(yè)于Missouri S&T的機械系，目前在VirginiaTech DREAMS Lab攻讀機械工程的博士學(xué)位。作者主要的研究方向是Binder Jetting技術(shù)以及熱傳導(dǎo)性材料（如純銅）的增材制造。作者的博士研究也包含納米材料在BinderJetting中的應(yīng)用。


概念
Binder Jetting顧名思義是一種通過噴射粘合劑使粉末成型的增材制造技術(shù)。和許多激光燒結(jié)技術(shù)類似，BinderJetting也使用粉床（powder bed）作為基礎(chǔ)；但不同的是，該技術(shù)使用噴墨打印頭將粘合劑噴到粉末里,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而結(jié)合為一體，如此層層疊加制造出三維結(jié)構(gòu)的物體。BinderJetting可以用于高分子材料、金屬、陶瓷材料的制造，當(dāng)用于金屬和陶瓷材料時，通過噴墨打�。╥nkjet printing）成型的原型件（green part）需要通過高溫?zé)�結(jié)（sintering）將粘合劑去除并實現(xiàn)粉末顆粒之間的融合與連接，從而得到有一定密度與強度的成品。

Binder Jetting的發(fā)明要追溯到80年代末和90年代初，主要歸功于MIT的兩個教授（EmanuelSachs & Michael Cima）。起初這項技術(shù)的專利名稱叫做Three-dimensional Printing，作者推測可能是由于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，只是打印材料由紙變?yōu)榱朔勰�，才有了這樣一個名字。由于3D打印這個名字后來被廣泛的用到了其他增材制造技術(shù)的身上，更多人選擇使用ASTM標(biāo)準(zhǔn)所定制的名字-BinderJetting，但這也導(dǎo)致一些人對這個名字感到陌生。

應(yīng)用

· 原型全彩打印
當(dāng)Binder Jetting的技術(shù)在MIT的實驗室實現(xiàn)之后便被迅速的轉(zhuǎn)化為了專利，在90年代被多家公司根據(jù)不同材料取得使用權(quán)（license）并商業(yè)化。在取得非金屬材料技術(shù)的公司中比較有名的是ZCorp，他們使用石膏（plastor）作為主要的材料，依靠石膏和以水為主要成分的粘合劑之間的反應(yīng)而成型。ZCorp產(chǎn)品最大的亮點當(dāng)屬full color printing，這在objet等公司尚未出現(xiàn)的時候成為了唯一一種可以打印全色彩的技術(shù)。如同紙張噴墨打印機一樣，粘合劑可以被著色并且依靠基礎(chǔ)色混合（CMYK）而將粉末著色，從而制造出在三維空間內(nèi)都具備多種顏色的模型。這種方式制造出的模型多用于快速成型和產(chǎn)品設(shè)計時所制造的模型。ZCorp在2012年被3D Systems收購，并被開發(fā)成為了3DS的colorjet系列打印機。

· 全密度金屬直接成形
使用Binder Jetting打印金屬的技術(shù)被ExOne公司（之前叫ProMetal）所商業(yè)化。當(dāng)制造金屬零件時，金屬粉末被一種主要功能成分為thermosetting高分子的粘合劑所粘合而成型為green part，之后green part被從3D打印機中取出并放到熔爐（furnace）中燒結(jié)得到金屬成品。由于燒結(jié)后的零件一般密度較低，因此為了得到高密度的成品,ExOne還會將一種低熔點的合金（如銅合金）在燒結(jié)過程中滲透（infiltrate）到零件中。盡管最初ExOne制造的產(chǎn)品多以不銹鋼為主，但如今已有多種金屬材料（如鎳合金Inconel），以及陶瓷材料（如 tungsten carbide）可供選擇，并在經(jīng)過一些特殊的post-processing技術(shù)處理后可以達到100%的密度。

· 砂模鑄造成形
Binder Jetting制造金屬的還有一種非直接的方式——鑄造（sandcasting）。鑄造用砂通過Binder Jetting成型形成模具，之后便可用于傳統(tǒng)的金屬鑄造。這種制造方式的特點是在繼承了傳統(tǒng)鑄造的特點和材料選項的同時，還具備增材制造的特點（如可制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)等）。Voxeljet是另外一家歐洲的BinderJetting設(shè)備生產(chǎn)商專門用于造鑄造模具生產(chǎn)，但該公司并沒有涉足金屬的直接制造（directmetal manufacturing）。

技術(shù)特點：優(yōu)勢&限制
Binder Jetting是最早出現(xiàn)的可以用于金屬和陶瓷材料增材制造的技術(shù)之一。如今在眾多金屬激光或電子束燒結(jié)的3D打印機主導(dǎo)市場的情況下，BinderJetting雖然占有市場份額較小，但卻依然在金屬增材制造中扮演著重要的角色。然而也經(jīng)常有聲音質(zhì)疑，在激光燒結(jié)等技術(shù)愈發(fā)成熟的情況下，BinderJetting是否還有競爭力，還是應(yīng)該遭到淘汰。作者認為，Binder Jetting具備的一些特點導(dǎo)致這項技術(shù)很好的彌補了一些其他技術(shù)的不足，并填補了金屬增材制造的一些空白，因此很有價值。

技術(shù)優(yōu)勢：
1）可選擇的材料種類很多，并且開發(fā)新材料的過程相對簡單。由于Binder Jetting的成型過程主要依靠粘合劑和粉末之間的粘合，因此眾多材料都可以被粘合劑粘成型。同時，在傳統(tǒng)粉末冶金中可以燒結(jié)的金屬和陶瓷材料又有很多，因此很多材料都具備可以使用BinderJetting制造的潛力。同時Binder Jetting的打印機可以具有很大的材料選擇靈活性，不需要為材料而改變設(shè)備或者主要參數(shù)。目前可以使用Binder Jetting直接制造的金屬材料包括多種不銹鋼，銅合金，鎳合金，鈦合金等。

2）適合處理一些使用激光或電子束燒結(jié)（或熔融）有難度的材料。例如，一些材料有很強的表面反射性，所以很難吸收激光能量或?qū)�激光波長有嚴(yán)格的要求；再如一些材料導(dǎo)熱性極強，很難控制熔融區(qū)域的形成，會明顯影響成品的質(zhì)量。不過Binder Jetting技術(shù)卻不會遇到這些問題。

3）成型過程中不會產(chǎn)生任何殘余應(yīng)力，因為不會融化粉末而是因此可完全通過粉床來支撐懸空結(jié)構(gòu)而無需任何額外的支撐結(jié)構(gòu)，也不需要在打印過程中將整個零件固定（anchor）在粉末底部的基座上（與SLS類似），所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計上具備更大的自由度，打印完成后也無需去除支撐這一步。

4）非常適合用于大尺寸的制造和大批量的零件生產(chǎn)。因為Binder Jetting打印機不需要處于密封空間中，而且噴頭相對便宜，從而在不大幅增加成本的基礎(chǔ)上可以制造具有非常大尺寸的粉床和大尺寸的噴頭。外加噴頭可以進行陣列式（2D array）掃描而非激光點到點的掃描（raster scan），因此進行大尺寸零件打印時打印速度也是可以接受的，并且可以通過使用多個噴頭而進一步提高速度。例如，ExOne用于鑄造模具打印的Exerial打印機就具有2.2m*1.2m*0.7m的制造尺寸。Voxeljet甚至通過一種傾斜式粉床的設(shè)計從而可以制造在一個維度上無限延伸的零件。

Voxeljet VXC 800連續(xù)成形過程（Exone）

5）打印件精度較高。例如Hoganas的產(chǎn)品具有很高的精度和光滑度（經(jīng)過處理后），可以做非常精致的首飾品。

Hoganas藝術(shù)設(shè)計（Hoganas）

6）設(shè)備成本相對低廉 。比起動輒百萬美元級的金屬3D打印機，ExOne的打印機售價則低很多。

技術(shù)限制：
任何技術(shù)都存在著不足之處，Binder Jetting當(dāng)然也不例外：

1）這當(dāng)中最主要的當(dāng)屬直接制造金屬或陶瓷材料時的低密度問題。與金屬噴射鑄模（metalinjection molding）或擠壓成型（die pressing）等粉末冶金工藝相比，BinderJetting成型的初始密度（green density）較低，因此最終產(chǎn)品經(jīng)過燒結(jié)后密度也很難達到100%。盡管這種特性對于一些需要疏松結(jié)構(gòu)的應(yīng)用有益處（如人造骨骼，self-lubracatingbearings等），但對于多數(shù)要求高強度的應(yīng)用卻是不令人滿意的。但是在借助一些post-processing的手段情況下，很多金屬材料還是可以達到100%的密度的。

2）BinderJetting中先打印成型之后再燒結(jié)的繁瑣過程與很多直接成型的金屬增材制造技術(shù)相比經(jīng)常受到詬病，而且整個流程耗時較長。因此當(dāng)制造小批量的零件時BinderJetting在耗時上與其他技術(shù)相比可能就沒有優(yōu)勢。

總之，Binder Jetting作為一項雖然目前不是很主流的金屬增材制造技術(shù)，但卻因為以上提到的特點而在一些領(lǐng)域極具競爭力，當(dāng)然這項技術(shù)的一些自身不足也限制了其更廣泛的應(yīng)用。作者通過對BinderJetting的長時間的研究，對這項技術(shù)的前景非�？春�，并且期待有新的技術(shù)進步會將Binder Jetting的特點更加發(fā)揚光大。作者在撰寫此文的過程中也深感到，世界上沒有所謂的最好的增材制造技術(shù)，關(guān)鍵是如何將各項技術(shù)各取所長并應(yīng)用在最合適的領(lǐng)域上。

來源：靖哥3D打印