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　　根據(jù)ACAM亞琛增材制造中心在2021年formnext深圳展會(huì)上關(guān)于《增材制造技術(shù)“深潛”-前沿發(fā)展趨勢(shì)》的分享，3D打印-增材制造的發(fā)展趨勢(shì)朝向多維度的深化層面，面向量產(chǎn)應(yīng)用，3D打印突破當(dāng)前應(yīng)用對(duì)經(jīng)濟(jì)性要求的限制，向應(yīng)用端深度延伸走向產(chǎn)業(yè)化的一條發(fā)展路徑是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的產(chǎn)品。

　　金屬3D打印領(lǐng)域，以Binder Jetting-粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)為代表的間接金屬3D打印以高速，低成本獲得了業(yè)界的高度關(guān)注。粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)，從生產(chǎn)效率、經(jīng)濟(jì)性的角度看充分的滿足了面向量產(chǎn)的應(yīng)用，那么粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)在實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的產(chǎn)品方面又面臨什么樣的挑戰(zhàn)呢?

　　本文將從影響零件質(zhì)量的后處理環(huán)節(jié)中的脫脂、燒結(jié)工藝進(jìn)行深入剖析，以提供更好的駕馭粘結(jié)劑噴射制造工藝的整體思路。

　　粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)

　　熟悉Binder Jetting粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)的業(yè)界人士不難發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)金屬注射成型工藝MIM制造的硬質(zhì)工件流程中的脫脂，燒結(jié)過程與粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)所需要的后處理過程是一致的。

　　Binder Jetting粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)的后處理有三個(gè)目標(biāo)：

　　· 從粉末床中提取“生坯”零部件并對(duì)其進(jìn)行脫粉，而不損壞零件本身。

　　· 脫脂并燒結(jié)零部件將其縮小到可接受的密度和幾何精度。

　　· 精加工零件到要求的精度。

　　脫脂

　　生坯由金屬粉末和粘結(jié)劑組成，脫脂主要去除階段粘結(jié)劑的過程，僅通過最少量的第二階段粘接劑保持在一起，該粘結(jié)劑將在燒結(jié)過程中同時(shí)去除。因此，脫脂后的生坯零部件非常脆弱。

　　具有高粘結(jié)劑量的生坯部件，可以在脫脂前通過研磨或銑削進(jìn)行加工，以達(dá)到所需的表面特性。還可以去除僅用于打印而不需要燒結(jié)的支撐結(jié)構(gòu)。目前，從 MIM 行業(yè)演化的三種脫脂類型如下：

　　• 溶劑脫脂

　　• 熱脫脂

　　• 熱催化脫脂

　　對(duì)于溶劑脫脂，將零件放入裝有可溶解粘結(jié)劑的溶劑的罐中。根據(jù)了解，這種變體只需要簡(jiǎn)單的設(shè)備并且相對(duì)便宜。然而，危險(xiǎn)液體的處理會(huì)導(dǎo)致安全問題，脫脂過程需要 24-48 小時(shí)才能有效去除可萃取溶劑。

　　熱脫脂過程基于粘結(jié)劑體系的熱分解?？梢栽谟糜跓Y(jié)過程的同一爐或低成本的預(yù)處理爐中進(jìn)行。然而，該過程耗時(shí)且僅適用于粘結(jié)劑飽和度低的生坯。因此，大多數(shù) Binder Jetting 零部件都是通過熱脫脂來脫脂的。然而，由于帶入爐內(nèi)的有機(jī)材料量增加，設(shè)備維護(hù)增加。

　　對(duì)于熱催化脫脂，將部件置于氣態(tài)酸環(huán)境中并加熱至約 120 °C。該過程運(yùn)行速度快，但相對(duì)昂貴，并且需要處理氣態(tài)酸的基礎(chǔ)設(shè)施。

　　去粘結(jié)是一個(gè)緩慢的過程，因?yàn)檎辰Y(jié)劑必須通過微小的多孔材料結(jié)構(gòu)蒸發(fā)。如果施加太多的熱量和能量，則金屬顆粒基質(zhì)受到干擾，導(dǎo)致最終部件質(zhì)量受到不利影響。粘結(jié)劑以約1厘米/小時(shí)的速度從外表面移除，因此較厚的部分可能需要數(shù)天才能解除粘結(jié)。

　　去除粘結(jié)劑后，零件處于非常脆弱的狀態(tài)，包含最少量的二次粘結(jié)劑，因此在處理時(shí)非常脆弱。

　　燒結(jié)

　　為了達(dá)到金屬部件的結(jié)構(gòu)完整性，需要進(jìn)行燒結(jié)工藝。

　　當(dāng)使用需要額外處理的支撐/定位器材料的時(shí)候，常規(guī)的支撐/定位器策略和技術(shù)會(huì)導(dǎo)致零部件加工的失敗，例如支撐/定位器結(jié)構(gòu)發(fā)生變形或收縮的時(shí)候會(huì)影響到零部件的結(jié)構(gòu)，這時(shí)候就需要十分匹配的策略使得支撐/定位器結(jié)構(gòu)不僅僅能起到加工過程中的支撐作用，還在隨后的后處理中不影響零件的精度。

　　根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，Desktop Metal與2018年申請(qǐng)了可分離支撐/定位器技術(shù)，中提到了一種在零部件和支撐/定位器結(jié)構(gòu)之間制造界面層，以便在燒結(jié)期間抑制支撐結(jié)構(gòu)和相鄰的零部件表面之間的結(jié)合。

　　支撐/定位器由陶瓷材料單獨(dú)制造，定位器的生產(chǎn)成本更高，更耗時(shí)，但它們可重復(fù)使用，因此可以節(jié)省大批量生產(chǎn)的時(shí)間和材料成本。必須仔細(xì)設(shè)計(jì)支撐/定位器，以在燒結(jié)過程中支撐零件，以補(bǔ)償零件收縮和熱應(yīng)力轉(zhuǎn)移。

　　零件在接近熔化溫度但低于熔化溫度的爐子中加熱。該過程分為三個(gè)階段，其中一個(gè)階段被定義為粉末顆粒和孔隙幾何變化的區(qū)間。在初始燒結(jié)階段，粉末顆粒僅通過范德華力結(jié)合。當(dāng)達(dá)到燒結(jié)溫度時(shí)，顆粒的結(jié)合之間會(huì)形成頸部。在此期間，熱脫脂過程的保持時(shí)間被設(shè)定為次級(jí)粘結(jié)劑的相應(yīng)分解溫度。

　　燒結(jié)第二階段中間階段的特征是通過相鄰粒子的合并來增加粒子的堆積密度。在這個(gè)階段，產(chǎn)生了孤立的孔隙結(jié)構(gòu)。

　　在燒結(jié)的第三階段 ，孔徑進(jìn)一步減小，直至孔隙幾乎消除。在燒結(jié)過程中會(huì)發(fā)生相對(duì)較大的體積收縮。基本上在每個(gè)方向上收縮 16% 到 21%。由于重力、材料的壓縮，收縮是各向異性的并且在 z 方向上比在 xy 方向上大(重力因素影響)。

　　在爐子中，零部件的較薄部分將比較厚的部分加熱和燒結(jié)得更快，這些部分將應(yīng)力引入厚度變化的零部件中。此外，零部件燒結(jié)后的冷卻進(jìn)一步放大了這種效果。這些熱梯度和應(yīng)力會(huì)使部件翹曲和損壞，并可能產(chǎn)生影響材料特性的非均勻晶粒結(jié)構(gòu)。

　　收縮率

　　管理和補(bǔ)償燒結(jié)階段發(fā)生的大量收縮是Binder Jetting粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)之一。零件在爐內(nèi)收縮30-40%，線性收縮15-20%。如果零件很小并且壁厚均勻，那么收縮是可以預(yù)測(cè)的。然而，不同厚度的大型零部件的燒結(jié)過程會(huì)對(duì)幾何形狀產(chǎn)生非常復(fù)雜的問題。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，燒結(jié)收縮目前嚴(yán)重限制了Binder Jetting粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)適用的幾何形狀和應(yīng)用類型。

　　收縮率還可能受到其他參數(shù)的影響，例如：

　　• 底板和零件之間的摩擦

　　• 重力

　　• 彎曲不受支持的功能

　　• 粉末污染

　　• 粒徑

　　• 打印過程中的翹曲

　　• 壁厚度

　　在收縮過程中，零件的底面在燒結(jié)底板上滑動(dòng)。雖然零件的其余部分可以自由收縮，但摩擦阻礙了均勻收縮。這會(huì)導(dǎo)致零件變形。

　　摩擦效應(yīng)可以通過燒結(jié)底板或活動(dòng)墊板來減少，它們的收縮方式與零件相同，因?yàn)樗鼈冇上嗤牟牧现瞥伞?/p>

　　由于燒結(jié)過程中發(fā)生的零件收縮，需要通過補(bǔ)償以解決失真。正在開發(fā)的軟件工具可以更好地模擬和預(yù)測(cè)補(bǔ)償方案，然后相應(yīng)地調(diào)整零件幾何形狀。然而這不是一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案，有時(shí)候只對(duì)特定的幾何形狀有意義。

　　根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，拿Desktop Metal舉例，實(shí)時(shí)仿真方面Desktop Metal與多物理場(chǎng)模擬軟件開發(fā)商ANSYS合作緊密。ANSYS的Discovery Live平臺(tái)允許對(duì)CAD模型進(jìn)行更改，以顯示流體或空氣流量如何實(shí)時(shí)受到影響，并且任何人都可以使用，而不僅僅是專家。Discovery Live可以讓工程師立即檢查其設(shè)計(jì)變更的影響，這個(gè)平臺(tái)支持流體、結(jié)構(gòu)和熱模擬應(yīng)用。這使得設(shè)計(jì)師可以通過交互的方式探索簡(jiǎn)單和復(fù)雜變化的影響，迭代變得更加快速便捷。

　　燒結(jié)過程中，零部件在支架上通過支撐/定位器來固定，并放置在具有惰性氣氛的爐子中。首行脫粘循環(huán)，燒掉粘結(jié)劑的聚合物組分，溫度通常在200-600℃范圍內(nèi)。必須從部件中除去所有粘結(jié)劑，否則粘結(jié)劑中的殘余碳將對(duì)燒結(jié)過程產(chǎn)生負(fù)面影響并損害最終零部件性能。

　　不過這一切或許在發(fā)生改變，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，Desktop Metal收購了Meta Additive，Meta Additive的非犧牲性粘結(jié)劑解決方案使得燒結(jié)收縮從20%降到了2%，不僅消除了脫脂步驟的需要，而且還降低了后處理階段所需的熱量水平。在正常打印后，做300℃的熱處理即可，熱處理是為了鞏固和優(yōu)化一些微結(jié)構(gòu)。

　　據(jù)悉Meta Additive的粘結(jié)劑在使用過程中，主要是化學(xué)反應(yīng)，而不僅是物理反應(yīng)。這是在基于70年代就發(fā)明的原子層沉積 (ALD)與化學(xué)氣相沉積 (CVD)的科技樹和相關(guān)產(chǎn)業(yè)成果基礎(chǔ)上，進(jìn)行的化學(xué)技術(shù)的研發(fā)。這種由分子成分、納米成分和微成分組成的粘結(jié)劑，納米顆粒填充在粉末間隙來實(shí)現(xiàn)顆粒間結(jié)合和滲透，相當(dāng)于在3D打印過程中將粘結(jié)劑均勻無孔地沉積在金屬粉末床顆粒的空隙之間。

　　l 溫度

　　燒結(jié)的過程對(duì)于最終產(chǎn)品的質(zhì)量起到了關(guān)鍵的作用，零部件需要特定的時(shí)間來壓實(shí)并達(dá)到最終的密度和機(jī)械性能。溫度曲線的設(shè)定必須根據(jù)零件的材料和幾何形狀進(jìn)行調(diào)整。因此，燒結(jié)工藝參數(shù)取決于材料等多種因素，不能一概而論。

　　l 氣體

　　在燒結(jié)過程中，需要特定氣體用于防止材料氧化，防止含碳材料脫碳或降低不銹鋼的碳含量。因此，必須根據(jù)使用的材料調(diào)整氣體。

　　通常在燒結(jié)時(shí)需要高真空或氬氣氣氛，例如鈦合金，而不銹鋼如 316L 需要接近大氣的高純度氫氣環(huán)境以防止脫碳。

　　氫氣氣氛用于減少粘結(jié)劑系統(tǒng)中的碳并防止其擴(kuò)散到金屬中。因此，在燒結(jié)不銹鋼時(shí)，H2 對(duì)控制和最小化 C 含量至關(guān)重要。

　　另一個(gè)相關(guān)因素是脫脂和燒結(jié)爐內(nèi)使用的氣體流量。為獲得結(jié)果，建議在零件周圍采用均勻的氣流和局部壓力，以獲得均勻的溫度分布和一致的脫脂。

　　l 粉末

　　幾種粉末特性會(huì)影響脫脂和燒結(jié)過程。這包括顆粒的大小、成分和粉末密度。每種粉末特征對(duì)脫脂和燒結(jié)過程都有不同的影響。

　　特別是脫脂過程受粉末粒徑的影響，脫脂的保持時(shí)間會(huì)隨著金屬顆粒尺寸的減小而急劇增加。這是由于粉末較小的孔隙率導(dǎo)致分解的氣室特征所帶來的影響。

　　不僅粉末的特性很重要，還應(yīng)研究脫脂性能以正確設(shè)計(jì)工藝。

　　粉末的粒度和分布差異會(huì)導(dǎo)致需要在不同的時(shí)間長(zhǎng)度和溫度下燒結(jié)，并影響零件的性能。由于較高的比表面積，較小的顆粒尺寸支持在較低溫度和停留時(shí)間下燒結(jié)。

　　不充分的燒結(jié)也可能是由粉末化學(xué)引起的。內(nèi)含物、添加劑和氧化會(huì)導(dǎo)致金屬部件燒結(jié)無效。污染還會(huì)影響零件在燒結(jié)過程中的行為，并可能導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)的收縮。

　　l 生坯特性

　　脫脂后，生坯部件由于缺少級(jí)粘結(jié)劑而非常脆弱。這些零件現(xiàn)在不能進(jìn)行機(jī)械處理，必須放在托盤上。

　　Binder Jetting 生坯部件的高度脆弱性限制了可以實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)水平。在開箱或搬運(yùn)過程中，薄壁、銷釘或鋒利的邊緣可能會(huì)破裂。盡管如此，BJT 零件的分辨率是高的。

　　影響成本的因素

　　除了體積和尺寸外，粘結(jié)劑噴射的單件成本還受設(shè)計(jì)等幾個(gè)不同因素的影響。

　　每個(gè)零件的成本主要取決于每個(gè)零件的體積，隨著材料量的增加，零件成本也線性增加。高材料成本和恒定的構(gòu)建速率會(huì)影響相對(duì)恒定的每立方厘米成本。雖然燒結(jié)工藝成本主要取決于零件的整體尺寸和隨后的爐子利用率，但脫脂主要受零件厚度的影響。

　　可以通過增加一項(xiàng)構(gòu)建作業(yè)中的零件數(shù)量來降低每個(gè)零件的成本。如果生坯零件的拆包通過手工作業(yè)完成，那么設(shè)計(jì)是針對(duì)拆包進(jìn)行了優(yōu)化，則可以節(jié)省昂貴的人工時(shí)間，甚至可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化解決方案。

　　（來源：3D科學(xué)谷）