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粘结剂喷射3D打印技术的未来发展与市场运用

日期: 2020-07-02 01:59         本文来源:人生就是博尊龙

  ke Cima在1993年研发的,该技术在喷墨打印机基础上,衍变为将粘结剂喷射到塑料粉末床上。然而,很快这种粘结塑料粉末的技术就不流行了,取而代之的是粘结砂子和金属。

  粘结剂喷射3D打印技术具有工业级效率、速度快、设备成本低、无需额外支撑等特点,再加上允许大尺寸打印、多材料打印(砂子、PMMA材料、金属材料)适应于批量生产的特点,使其成为投资者在3D打印领域投资的热门技术。IDTechEx预测到2025年将会有37,000台粘结剂喷射设备,这意味着粘结剂喷射3D打印技术将迎来新的发展。

  本期谷.专栏文章中,作者从制造原理入手,分析了粘结剂喷射3D打印技术的特点,目前已经投入该技术设备研发的代表性企业及其他们的技术发展情况。粘结剂喷射3D打印技术的原理是通过材料喷射和烧结工艺的相互结合来生产密度金属零部件。

  关键点1粘结剂是质量关键。在喷射阶段,粘结剂对不同粉末材料粘结的稳定性和后期烧结工艺是否收缩变形起到了至关重要的作用。可以说粘结剂的化学技术就是粘结剂喷射金属3D打印技术的关键核心。关键点2多喷头提升打印速度。由于其是多喷头喷射粘结剂的特点,相对于目前市场上流行的单喷头的激光相关的3D打印技术而言,其制造速度是后者的数百倍,效率大大提升。

  关键点3使用材料范围广。由于使用粘结的方式,打印时不需要加热,后期烧结去除粘结剂时才涉及温度变化。对材料要求的降低,在理论上使得该技术适合于很多不同的材料的打印。关键点4 烧结工艺。烧结工艺是保证质量的关键之一,工艺过程要有效去除粘结剂,同时保证形态不发生改变,这与材料的热处理工艺息息相关。

  关键点5粉末支撑。粘结剂喷射技术在打印环节没有温度变化,材料内应力小,可以依靠粉末实现自支撑,不需要额外的支撑设计,实现材料的100%利用和一次多量打印,这点是有别于其他增材制造方法的核心之一。同时粉末在完成一次打印后,没有温度变化引起的粉末粘合,不需要清理和筛分,可直接回收利用,这点是有别于其他增材制造方法的核心之一。

  关键点6环境要求低。粘结剂喷射技术在打印环节没有温度变化和化学变化,金属粉末不会因为高温而氧化,所以普通打印环境就可以持续打印,这大大降低了设备的设计要求。综合以上6点,这项技术才具有了:高效率,低成本,适合批量化生产的特点。但是由于粘结剂化学技术还不是非常成熟,加之材料的粉末质量问题,这项技术所制造出的产品精度目前还不能与激光相关3D打印技术相媲美。

  当前在粘结剂喷射3D打印技术方面发展的代表企业包括:voxeljet-维捷、Digital Metal、GE 、惠普(HP) 、 Desktop Metal 。笔者在这里对这些企业的基本情况和在该技术方面的研发与应用情况做了梳理。voxeljet-维捷是全球领先工业级3D打印系统制造商之一,可实现产品的无模化生产。

  维捷在3D打印砂芯制造应用方面积累有着自己丰厚的经验与市场运用。在德国、美国、英国、印度和中国均有自己的分支机构,其VX200-4000系列5种粘结剂喷射3D打印设备,包含了从实验室级别到4米级目前世界最大的喷射成型技术3D打印机,形成系列化的产品,设备应用领域广泛。

  以voxeljet-维捷的VX4000设备分析,打印头具有超过25000个可单独控制的喷嘴和1100毫米的打印宽度,打印机的打印速度可达每小时120升。在航空航天部件等许多应用中,现在可以使用粘结剂喷射技术与金属铸造相结合的方式,经济地构建几乎任何尺寸的零件:例如大型机械结构框架,以及车辆核心零部件:泵体、阀体、排气歧管、壳体、以及能源行业的闭式叶轮。这些是与复杂、大尺寸、高精度、难加工紧密联系的技术高地。

  Digital Metal 是瑞典金属粉末制造商 Hgans集团公司旗下的企业,Digital Metal推出了粘结剂喷射技术的金属增材制造设备:DMP 2500。这款机器使用金属粉末,能进行连续生产。

  打印速度高达100立方厘米/小时,打印层厚为42微米。它有一个较大的构建体积,为2500立方厘米,单次可以打印多达50000个的零件。DM P2500的其他技术规格包括:35分微米的XY分辨率,处理前的平均表面粗糙度为Ra6微米。这些数字意味着打印机可以生产出“具有医疗级平滑度的复杂结构”,即使打印件的尺寸很小。DMP 2500能处理几种材料,因为打印后还会进行烧结。使用粘结剂为环氧树脂,由喷嘴根据部件的几何形状精确地喷射粘合剂,层层粘结材料,该过程一直持续到零件完成。整个打印过程以受控的方式进行。最后,在烧结炉中将粘结剂烧掉以获得纯粹的金属零件。

  Digital Metal迄今已有三种材料包括316L和17-4PH不锈钢,以及Ti6Al4V钛合金。正在验证其他材料,将来会有更多的材料被纳入进来,包括银和金,因为粘接剂非常适合珠宝制造。目前的订单中最大的有每年大约30000个零件,较小批次有3000至3500个零件的制作需求。其中包括瑞士制表厂Montfort Watches,通过粘结剂喷射3D打印技术制作不锈钢表盘。

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