粘合剂喷射本身是一种 3D 打印过程,它使用数字文件将粘合剂快速喷射到粉末颗粒床中——金属、沙子或陶瓷——一次创建一层固体部件。打印金属时,必须对最终打印的部件进行烧结,以便将颗粒融合在一起形成固体。
要执行这个过程,必须发生一些核心事情:
打印机必须形成一层薄薄、致密且均匀的粉末颗粒层,打印头必须将粘合剂精确地沉积在需要发生颗粒结合的粉末床上,并且在开始下一层之前,粘合剂必须足够干燥,以便所需的颗粒部分粘合在一起,并且打印区域不会太湿。如今,粘合剂喷射市场上的大多数公司都分别执行粉末喷涂和印刷功能,包括 HP 和 Digital Metal。
宣布单程概念
2017 年 4 月,Desktop Metal 宣布了新的 Single Pass 概念,称它提供了突破性的速度,并将在其生产系统中提供,这是一种大型金属粘合剂喷射打印机,该打印机将于 2018 年开始发货。
双向系统在公司网站上是这样解释的:“打印过程的所有步骤——粉末沉积、铺展、压实、弹道抑制和粘合剂喷射——都在每次通过构建区域时进行。”
使用这种方法,桌面金属生产系统的发货日期现在定于 2021 年下半年,据说打印量高达 12,000 cc/h。
ExOne 获得专利的 Triple ACT 以不同的参数在整个打印床上分配、散布和压实精细的 MIM 粉末。相比之下,ExOne 首先使用其三重高级压实技术 (ACT) 铺设粉末,该技术具有分立的功能,可通过高度工程化的双辊系统分配粉末以及散布和压实粉末层。每层大约有三个粒子高或 30 微米。通俗地说,人的头发的直径大约是 70 微米,而 10 微米则比红血球还要大。
然后,我们的打印机以完全独立的功能将粘合剂喷墨到颗粒上。最后,Triple ACT 系统在添加下一层粉末之前加热打印区域。
ExOne 的所有金属粘合剂喷射系统都提供 Triple ACT 技术和这种风格的打印,X1 160Pro 的最大速度为 10,000 cc/h。这种方法使我们能够鉴定 23 种金属、陶瓷和复合粉末,包括最近的 6061 铝。
现在,让我们了解技术
那么,为什么 Exone 的团队认为单程方法不能提供最佳的零件质量或材料灵活性?
作为粘合剂喷射 3D 打印系统最有经验的商业销售商,我们通过重涂和粘合每种材料单独控制 20 多个离散参数。其中一些基本参数是粉末铺展辊速度、粘合剂液滴速度以及加热时间和温度。
X1 25Pro 是 ExOne 金属粘合剂喷射系统之一,可控制 20 多个关键参数。我们打印的每一种粉末——包括两打金属、陶瓷和复合材料——都有自己的形状、尺寸和打印参数要求。即使在单一材料类别中,例如 316L 不锈钢,在粉末沉积到床上之后,不同尺寸的粉末也可能需要不同的铺展或压实速度。甚至不同的液滴尺寸、形状或沉积速度。有时如果你走得太慢或太快,粉末实际上会排斥粘合剂,它会从颗粒的顶部弹起,特别是如果粉末没有时间自行订购,就像一堆弹珠沉入底部一个罐子。我们还仔细地计算了铺设粉末(需要相对较长的时间)和打印粘合剂(相对较快)之间的差异,以确保粘合剂有时间渗入颗粒周围或弄湿打印区域。当您将所有这些参数整合到一个必须以相同速度穿过打印床的单个龙门架上的单个系统中时,您基本上会失去对许多工艺设置的控制。更重要的是,您还失去了对它们之间差异进行计时的大部分能力。根据 ExOne 的经验,为所有这些单个元素确定合适的参数是一项重要的工程工作,需要严格控制,并在各种功能之间存在重要的时序差异。
在 ExOne,我们将这个重要的参数集合称为 ExOne 配方引擎,它可以为每种不同的材料类型和尺寸生产最好的零件。有 20 多个参数,配方引擎中实际上有无数的潜在组合,因为每个组合本身都有许多潜在值(例如加热元件的温度)。更重要的是,ExOne 可以并且经常根据零件和几何要求为不同的层编程不同的参数。有时,对于基于几何形状的某些离散函数,以不同的速度运行某些层甚至会有所帮助。
因此,总而言之,当您将所有这些设置组合到以相同速度穿过打印床的单个龙门架上时,它看起来很高效,但实际上您必须找到所有这些参数都成功的唯一通过速度相互作用以产生高质量和高密度的零件。以一种速度,我们的团队认为您总是会在一个或另一个参数中放弃某些东西。最终,您可能不得不采用最低公分母方法。
有趣的是,2020 年推出并在 Production System 之后宣布的 Desktop Metal Shop System,似乎并没有像公司定义的那样使用单程系统。该过程的分销商视频显示,该系统使用单独的功能来撒粉和打印,这与 2017 年首次宣布的单程系统不同。
“你失去了转动旋钮”
在单程进入 3D 打印术语的几年前,ExOne 的专家得出结论,使用单一系统构建的用于重涂粉末和打印粘合剂的机器不太可能提供最佳的最终微观结构,这通常只有在烧结后才能显现出来。
重要的是要注意这里应该是显而易见的:肉眼实际上看不到零件的微观结构。但看看这些粒子在烧结后如何致密和有序是很重要的。具有参差不齐的孔隙率会导致部件受损,完整性有问题。
ExOne 首席技术官兼新市场副总裁 Rick Lucas
这对于原型可能不是很重要,但由于 ExOne 的金属机器是为生产工业零件而制造的,我们相信这些零件需要粘合剂喷射可以提供的最高质量,而这反过来需要最严格的参数控制。
Dan Brunermer,ExOne 技术研究员,是世界上最有经验的金属粘合剂喷射专家之一。他于 2003 年设计了 R2 金属粘合剂喷射系统,并且一直是该技术兴起过程中不可或缺的技术思想家。
“当你在一个单程系统中将所有东西连接在一起时,一切都必须以相同的速度运行,”布鲁纳默解释道。 “最好能够控制粉末重涂与加热和粘合剂之间的延迟。 你需要粘合剂浸泡,即使是半秒钟。 化学反应有一个时间常数,有真正的物理学和流体动力学在起作用。”
ExOne 首席技术官 Rick Lucas 还指出,由于这些原因,该方法被讨论过并被拒绝。 “我们几年前故意没有这样做,”卢卡斯解释说。 “它限制了离散函数之间的时序。 当你这样做时,你失去了转动的旋钮。 可调节性有限。”