詳解：粘合劑噴射成形3D打印技術(shù)

伴隨著GE對(duì)Arcam和SLM Solutions的收購(gòu)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(dú)特的優(yōu)勢(shì),。不過(guò),，在3D打印這個(gè)領(lǐng)域,，可謂是一個(gè)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(qǐng)到博士生白云,，為大家專(zhuān)業(yè)解讀粘合劑噴射成形技術(shù)的方方面面,。

作者簡(jiǎn)介：
白云,，本科畢業(yè)于Missouri S&T的機(jī)械系,，目前在VirginiaTech DREAMS Lab攻讀機(jī)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(guò)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(lèi)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(huì)同之前的粉層通過(guò)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(shí)，通過(guò)噴墨打�,。╥nkjet printing）成型的原型件（green part）需要通過(guò)高溫?zé)�結(jié)（sintering）將粘合劑去除并實(shí)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(qiáng)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?dú)w功于MIT的兩個(gè)教授（EmanuelSachs & Michael Cima）。起初這項(xiàng)技術(shù)的專(zhuān)利名稱(chēng)叫做Three-dimensional Printing,，作者推測(cè)可能是由于粘合劑噴射的過(guò)程與普通家用噴墨打印機(jī)的過(guò)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(gè)名字,。由于3D打印這個(gè)名字后來(lái)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(duì)這個(gè)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(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)之后便被迅速的轉(zhuǎn)化為了專(zhuān)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(diǎn)當(dāng)屬full color printing，這在objet等公司尚未出現(xiàn)的時(shí)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(jī)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(jì)時(shí)所制造的模型,。ZCorp在2012年被3D Systems收購(gòu),，并被開(kāi)發(fā)成為了3DS的colorjet系列打印機(jī)。

· 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(shí),，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(jī)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(huì)將一種低熔點(diǎn)的合金（如銅合金）在燒結(jié)過(guò)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(guò)一些特殊的post-processing技術(shù)處理后可以達(dá)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(guò)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(diǎn)是在繼承了傳統(tǒng)鑄造的特點(diǎn)和材料選項(xiàng)的同時(shí),，還具備增材制造的特點(diǎn)（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(zhuān)門(mén)用于造鑄造模具生產(chǎn),，但該公司并沒(méi)有涉足金屬的直接制造（directmetal manufacturing）。

技術(shù)特點(diǎn)：優(yōu)勢(shì)&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(jī)主導(dǎo)市場(chǎng)的情況下,，BinderJetting雖然占有市場(chǎng)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(jìng)爭(zhēng)力，還是應(yīng)該遭到淘汰,。作者認(rèn)為,，Binder Jetting具備的一些特點(diǎn)導(dǎo)致這項(xiàng)技術(shù)很好的彌補(bǔ)了一些其他技術(shù)的不足，并填補(bǔ)了金屬增材制造的一些空白,，因此很有價(jià)值。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：
1）可選擇的材料種類(lèi)很多,，并且開(kāi)發(fā)新材料的過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單,。由于Binder Jetting的成型過(guò)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(shí)，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(shí)Binder Jetting的打印機(jī)可以具有很大的材料選擇靈活性，不需要為材料而改變?cè)O(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(qiáng)的表面反射性,，所以很難吸收激光能量或?qū)�激光波長(zhǎng)有嚴(yán)格的要求；再如一些材料導(dǎo)熱性極強(qiáng),，很難控制熔融區(qū)域的形成,，會(huì)明顯影響成品的質(zhì)量。不過(guò)Binder Jetting技術(shù)卻不會(huì)遇到這些問(wèn)題,。

3）成型過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生任何殘余應(yīng)力，因?yàn)椴粫?huì)融化粉末而是因此可完全通過(guò)粉床來(lái)支撐懸空結(jié)構(gòu)而無(wú)需任何額外的支撐結(jié)構(gòu),，也不需要在打印過(guò)程中將整個(gè)零件固定（anchor）在粉末底部的基座上（與SLS類(lèi)似）,，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上具備更大的自由度，打印完成后也無(wú)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?yàn)锽inder Jetting打印機(jī)不需要處于密封空間中，而且噴頭相對(duì)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(jìn)行陣列式（2D array）掃描而非激光點(diǎn)到點(diǎn)的掃描（raster scan），因此進(jìn)行大尺寸零件打印時(shí)打印速度也是可以接受的,，并且可以通過(guò)使用多個(gè)噴頭而進(jìn)一步提高速度,。例如，ExOne用于鑄造模具打印的Exerial打印機(jī)就具有2.2m*1.2m*0.7m的制造尺寸,。Voxeljet甚至通過(guò)一種傾斜式粉床的設(shè)計(jì)從而可以制造在一個(gè)維度上無(wú)限延伸的零件,。

Voxeljet VXC 800連續(xù)成形過(guò)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(guò)處理后）,，可以做非常精致的首飾品,。

Hoganas藝術(shù)設(shè)計(jì)（Hoganas）

6）設(shè)備成本相對(duì)低廉 ,。比起動(dòng)輒百萬(wàn)美元級(jí)的金屬3D打印機(jī)，ExOne的打印機(jī)售價(jià)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(shí)的低密度問(wèn)題。與金屬?lài)娚滂T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(guò)燒結(jié)后密度也很難達(dá)到100%。盡管這種特性對(duì)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(duì)于多數(shù)要求高強(qiáng)度的應(yīng)用卻是不令人滿(mǎn)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(dá)到100%的密度的,。

2）BinderJetting中先打印成型之后再燒結(jié)的繁瑣過(guò)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(gè)流程耗時(shí)較長(zhǎng),。因此當(dāng)制造小批量的零件時(shí)BinderJetting在耗時(shí)上與其他技術(shù)相比可能就沒(méi)有優(yōu)勢(shì),。

總之，Binder Jetting作為一項(xiàng)雖然目前不是很主流的金屬增材制造技術(shù),，但卻因?yàn)橐陨咸岬降奶攸c(diǎn)而在一些領(lǐng)域極具競(jìng)爭(zhēng)力,，當(dāng)然這項(xiàng)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(guò)對(duì)BinderJetting的長(zhǎng)時(shí)間的研究,，對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的前景非�,？春茫�并且期待有新的技術(shù)進(jìn)步會(huì)將Binder Jetting的特點(diǎn)更加發(fā)揚(yáng)光大,。作者在撰寫(xiě)此文的過(guò)程中也深感到,，世界上沒(méi)有所謂的最好的增材制造技術(shù)，關(guān)鍵是如何將各項(xiàng)技術(shù)各取所長(zhǎng)并應(yīng)用在最合適的領(lǐng)域上,。

來(lái)源：靖哥3D打印