粘合劑噴射3D打印高 DPI 不等于高質(zhì)量的五個原因

文章出處：ExOne
翻譯：武漢易制科技


粘合劑噴射領(lǐng)域最大的誤解之一與一個看似簡單的指標(biāo)有關(guān)：dpi,，或每英寸點數(shù),。顧名思義,，dpi 是一種實際測量值,，可準(zhǔn)確表示打印頭每英寸可以產(chǎn)生多少墨滴。更高的 dpi 值等同于更高的最終零件精度和表面分辨率,， 這種假設(shè)是 3D 打印領(lǐng)域中一個常見的誤解——而這種觀點錯誤的程度跟聚合物打印領(lǐng)域的一種錯誤觀點差不多：更薄的層自動等于更高的質(zhì)量。（事實并非如此�,。┰谶@兩種情況下,，還有一系列其他考慮因素。

所以,，讓我們談?wù)?dpi,。為了就該主題進(jìn)行有趣的討論，我們聯(lián)系了 ExOne 技術(shù)研究員 Dan Brunermer,，他是粘合劑噴射領(lǐng)域的世界領(lǐng)先專家,。他從 2001 年開始從事這項工作。他開發(fā)了一種早期的金屬粘合劑噴射系統(tǒng) R2,，該系統(tǒng)今天仍在生產(chǎn)中使用,。

“嗯，第一個問題是粉末,，” Dan解釋道,，“如果你沒有粉末來保持 dpi 的真實性，那這個dpi也沒啥用”,。

理由一：粉末
與在紙上打印不同,，粘合劑噴射系統(tǒng)中的打印頭是在粉狀材料上進(jìn)行打印：金屬,、沙子或其他陶瓷,。正如 Dan解釋的那樣,，這些粉末并不都是大小相同的完美小圓形物。

從微觀上看,，一堆粉末具有一系列特征,，包括圓形或球形、非球形（包括有角和多面顆粒）,。更重要的是,，粉末顆粒并不都是相同的大小。粉末呈分布狀態(tài),，通常為 D50,，其中一半粉末直徑高于某個值，另一半粉末低于某個值,。對于 22 微米的 D50,，一半的顆粒低于該數(shù)值，另一半高于該數(shù)值,。

更重要的是,，當(dāng)你把一袋粉末放進(jìn)機(jī)器時，粉末會自行排列或擠進(jìn)去,，這種方式就像一堆大小不同的彈珠放在玻璃杯里,，小彈珠擠進(jìn)大彈珠之間的空間。確切地說,，這是一個混合體,。

粘合劑噴射中打印頭的目的聽起來很簡單：用足夠的能量將足夠的粘合劑滴在這些顆粒上，使它們在X,、Y和Z方向上完全濕潤或飽和,，這樣它們就能在需要的地方精確地結(jié)合相鄰的粒子。

在微觀層面上,，這意味著粘合劑必須撞擊這個混合的顆粒袋,，基本上用粘液把每個粒子單獨(dú)包圍起來，這樣它就會粘在相鄰的粒子上,。根據(jù)你要打印的粉末,，你的打印頭可能還需要處理一定范圍的粘合劑粘度。有些粉末偏愛較薄的粘合劑,，有些偏愛較厚的粘合劑,。

現(xiàn)在，進(jìn)行一些數(shù)學(xué)運(yùn)算,。1200dpi打印頭是目前工業(yè)打印頭中使用頻率最高的打印頭之一,。這個打印頭產(chǎn)生的每一個液滴相當(dāng)于21.17微米，大約是人類頭發(fā)橫截面的一半,。

那么,，讓我們假設(shè)你使用一個1200 dpi的打印頭將粘合劑打印到一個D50為30微米（標(biāo)準(zhǔn)加工的增材制造金屬粉末）的金屬粉末床上,，粘合劑在碰到粉末顆粒時，是否能保持 1200 dpi 的公差,？

不,。那是因為一半的單個粒子本身實際上比噴射在它們上面的液滴還要大。在這種情況下,，布魯納默解釋說：“你實際上是在浪費(fèi)dpi,。Dpi精度再高，也沒有用,�,！�

原因二：層厚
好的，讓我們換一個例子,，假設(shè)粉末尺寸對于我們的 1200 dpi 打印機(jī)來說不是問題,。想象一下，我們使用 D50 為 9 微米的粉末,，最大粒徑約為 14 微米,，遠(yuǎn)低于 21.7 微米的粘合劑液滴尺寸。現(xiàn)在,，我們要打印一個常見的層厚：50 微米,。我們會在打印床上保持 1200 dpi 的精度嗎？

在 X 和 Y 中,，答案是暫定的,。（稍后會詳細(xì)介紹）。但是 在 Z 向,，dpi不會保持——因為 50 微米的層相當(dāng)于 508 dpi。要在垂直方向保持 1200 dpi,，您需要 21.7 微米或更小的層厚度,，這會使需要打印的層數(shù)增加一倍。

最終,，這也會使你的工作速度降低50%以上,，因為打印頭必須跑兩次以上才能達(dá)到與50微米層相同的高度。如果你想以合理的速度和層厚打印,，Dan解釋說:“你肯定不會選擇1200 dpi的體素,。”

理由三：粉末壓實
好的,，現(xiàn)在讓我們假設(shè)我們有合適尺寸的粉末和層厚,，可以保持 1200 dpi 的真實性。現(xiàn)在,，你必須確保每個粉末層在整個粉床上都很一致,，且壓實水平很高,。如果你不熟悉用大約 9 微米的 D50 的粉末進(jìn)行打印是否容易，我可以舉個例子,，這就好像做蛋糕一樣,，當(dāng)你把面粉倒出來時會團(tuán)聚在一起。當(dāng)你試圖鋪開它,，它會形成云狀物,。

它需要一個高度工程化的粉末管理系統(tǒng)，具有極高的精度和控制力來分配,、鋪平和壓實您的超細(xì)粉末,，以保持任何 dpi。

無論粉末大小如何,，這對于保持 X,、Y 和 Z 方向的 dpi 至關(guān)重要。如果你的粉層一層又一層的不能保持一致和緊密,，你可能就像在一張有洞的紙上打印1200 dpi的粘合劑,，因為這些小顆粒不能緊密地聚集在一起吸收粘合劑。

布魯納默解釋道,，“如果你的粉末不一致,、不致密，粘合劑就會滲入縫隙中,，分辨率就會損失”,。更糟糕的是，最終的形狀在微觀結(jié)構(gòu)上不會很致密和完好,，而且實際上不會很好地?zé)�結(jié)成金屬零件,。“壓實是燒結(jié)成功的重要預(yù)測因素,，”DAN說,。“粘合劑噴射零件的生坯高致密度意味著更少的收縮,、更少的變形和更嚴(yán)格的公差,。”

原因四：噴頭位置控制
有時,，精度過高可能是一件具有挑戰(zhàn)性的事情,。這就是為什么用散彈槍射擊目標(biāo)比步槍更容易的原因。（散彈槍追求一種廣度,，而不是一種精度）

如果你有一個超精密的1200 dpi打印頭,，你必須確保每一個液滴都準(zhǔn)確地?fù)糁袛?shù)字位圖目標(biāo)中的X和Y位置。此時，軟件,、機(jī)械控制及其相互作用至關(guān)重要,。

如果您有一個高 dpi 打印頭和一個不達(dá)標(biāo)的系統(tǒng)來將您的 21.7 微米超細(xì)墨滴輸送到打印床中準(zhǔn)確的 X、Y 位置,，那么您實際上并不能達(dá)到目的,。在這一點上，較小的墨滴實際上對控制系統(tǒng)提出的挑戰(zhàn)更大,，因為它們?nèi)蒎e的空間更小,。

正如 Dan 所說，“如果我沒有精確到20微米以內(nèi)的驅(qū)動器,，1200 DPI并不重要,。如果我沒有辦法能正確地找到這所有1200滴墨水的位置，那么1200 DPI也不重要,�,！�

原因五：墨滴質(zhì)量
現(xiàn)在，讓我們假設(shè)我們有合適的粉末,、層高和管理粉末的系統(tǒng),，并精確對準(zhǔn)打印頭。一切都已準(zhǔn)備就緒,，可以輸出和接收 1200 dpi 墨滴,，這樣就能保持dpi了嗎？

你是否知道并非所有 1200 dpi 打印頭都能提供相同質(zhì)量的 21.7 微米墨滴,？液滴可以以不同的形狀和能量或速度水平輸送,。“奇怪的是,，”DAN解釋說,，“我們在研究中發(fā)現(xiàn)，不太完美的液滴可以生產(chǎn)出更好的零件,。這叫粘合劑噴射,，不是粘合劑掉落，對吧,？”

“如果你仔細(xì)觀察噴嘴的工作原理，它噴射一些質(zhì)量和能量都足夠好的細(xì)流,，從而真正滲透到顆粒中,。如果液滴太慢或太小或能量太少，它只會從粉末表面反彈,。實際上,，我們試圖讓我們的墨滴更像是噴射，而不是液滴�,！�

結(jié)論
這五個原因只是 dpi 不能代表粘合劑噴射 3D 打印質(zhì)量的幾個原因,，我們甚至還沒有談到在最后的金屬燒結(jié)階段如何保持dpi。

那么,，確定粘合劑噴射系統(tǒng)質(zhì)量的最佳方法是什么,？

“最終的答案是擁有一個考慮到所有這些變量，從而構(gòu)建,、設(shè)計和優(yōu)化的完整系統(tǒng)”,，Dan 說�,！罢嬲�的關(guān)鍵不是任何一個特定的數(shù)字,，而是了解整個系統(tǒng)如何運(yùn)作以及整個過程如何協(xié)同工作，才能真正讓你獲得高分辨率,、高重復(fù)性的零件,。”

為了真正比較粘結(jié)劑噴射系統(tǒng)的精度和表面光潔度,，最好的方法是用競爭系統(tǒng)打印你的零件,，并比較基準(zhǔn)。