時(shí)間：2023-09-13 14:12 來(lái)源：中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì) 作者：admin 閱讀：次

五、粘合劑噴射

△粘合劑噴射

粘合劑噴射是一種 3D 打印工藝，其中液體粘合劑選擇性地粘合一層粉末的區(qū)域。該技術(shù)類(lèi)型兼有粉末床熔合和材料噴射的特點(diǎn)。與 PBF 類(lèi)似，粘合劑噴射使用粉末材料（金屬、塑料、陶瓷、木材、糖等），并且與材料噴射一樣，液體粘合劑聚合物從噴墨器沉積。無(wú)論是金屬、塑料、沙子還是其他粉末材料，粘合劑噴射過(guò)程都是相同的。

首先，重涂刀片在構(gòu)建平臺(tái)上涂抹一層薄薄的粉末。然后，帶有噴墨噴嘴的打印頭在床上方經(jīng)過(guò)，選擇性地沉積粘合劑液滴以將粉末顆粒粘合在一起。層完成后，構(gòu)建平臺(tái)向下移動(dòng)，刀片重新涂覆表面。然后重復(fù)該過(guò)程，直到整個(gè)部分完成。

粘合劑噴射的獨(dú)特之處在于打印過(guò)程中沒(méi)有熱量。粘合劑充當(dāng)將聚合物粉末粘合在一起的膠水。打印后，零件被包裹在未使用的粉末中，通常會(huì)留下來(lái)固化。然后將零件從粉末倉(cāng)中取出，收集多余的粉末并可重復(fù)使用。從這里開(kāi)始，根據(jù)材料的不同，需要進(jìn)行后處理，但沙子除外，沙子通�？梢灾苯訌拇蛴�機(jī)中用作型芯或模具。當(dāng)粉末是金屬或陶瓷時(shí)，涉及加熱的后處理會(huì)熔化掉粘合劑，只留下金屬。塑料零件后處理通常包括涂層以改善表面光潔度。您還可以?huà)伖狻⑼科岷痛蚰ゾ酆衔镎澈蟿﹪娚洳考��?/span>

粘合劑噴射速度快且生產(chǎn)率高，因此與其他 AM 方法相比，它可以更經(jīng)濟(jì)高效地生產(chǎn)大量零件。金屬粘合劑噴射可用于多種金屬，在最終用途消費(fèi)品、工具和批量備件中很受歡迎。然而，聚合物粘合劑噴射的材料選擇有限，并且生產(chǎn)的部件結(jié)構(gòu)性能較低。它的價(jià)值在于能夠制作全彩原型和模型。

●3D打印技術(shù)的子類(lèi)型：金屬粘合劑噴射、聚合物粘合劑噴射、砂粘合劑噴射

●材料：沙子、聚合物、金屬、陶瓷等。

●尺寸精度：±0.2 毫米（金屬）或±0.3 毫米（沙子）

●常見(jiàn)應(yīng)用：功能性金屬零件、全彩模型、砂鑄件和模具

●優(yōu)勢(shì)：低成本、大構(gòu)建體積、功能性金屬部件、出色的色彩再現(xiàn)、快速打印速度、無(wú)支撐設(shè)計(jì)靈活性

●缺點(diǎn)：對(duì)金屬來(lái)說(shuō)是一個(gè)多步驟的過(guò)程，聚合物部件不耐用

1.金屬粘合劑噴射

△惠普使用金屬?lài)娚浼夹g(shù)的不銹鋼 3D 打印部件

Binder Jetting 還可用于制造具有復(fù)雜幾何形狀的固體金屬物體，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)制造技術(shù)的能力。金屬粘合劑噴射是一種非常有吸引力的技術(shù)，可用于批量生產(chǎn)金屬零件并實(shí)現(xiàn)輕量化。由于粘合劑噴射可以打印具有復(fù)雜圖案填充而不是實(shí)體的零件，因此所得零件的重量大大減輕，但強(qiáng)度卻保持不變。粘合劑噴射的孔隙率特征也可用于實(shí)現(xiàn)醫(yī)療應(yīng)用的較輕端部件，例如植入物。

總的來(lái)說(shuō)，金屬粘結(jié)劑噴射零件的材料性能與金屬注射成型生產(chǎn)的金屬零件相當(dāng)，是金屬零件批量生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的制造方法之一。此外，粘合劑噴射部件表現(xiàn)出更高的表面光滑度，尤其是在內(nèi)部通道中。

△金屬粘合劑噴射 3D 打印機(jī)為最終用途應(yīng)用生產(chǎn)精細(xì)精細(xì)的固體金屬部件

金屬粘合劑噴射部件需要在打印后進(jìn)行二次加工才能獲得良好的機(jī)械性能。剛從打印機(jī)出來(lái)，零件基本上由用聚合物粘合劑粘合在一起的金屬顆粒組成。這些所謂的“素坯部件”很脆弱，無(wú)法按原樣使用。打印零件從金屬粉末床中取出（稱(chēng)為脫粉的過(guò)程）后，它們將在爐中進(jìn)行熱處理（稱(chēng)為燒結(jié)的過(guò)程）。打印參數(shù)和燒結(jié)參數(shù)都針對(duì)特定部件的幾何形狀、材料和所需密度進(jìn)行了調(diào)整。有時(shí)使用青銅或其他金屬來(lái)滲透粘合劑噴射部件中的空隙，從而實(shí)現(xiàn)零孔隙率。

2.塑料粘合劑噴射

△塑料粘合劑噴射

塑料粘合劑噴射是一種與金屬粘合劑噴射非常相似的工藝，因?yàn)樗�也使用粉末和液體粘合劑，但應(yīng)用卻大不相同。打印完成后，塑料部件會(huì)從其粉末床中取出并進(jìn)行清潔，通常無(wú)需進(jìn)一步處理即可使用，但這些部件缺乏 3D 打印工藝中的強(qiáng)度和耐用性。塑料粘合劑噴射部件可以填充另一種材料以提高強(qiáng)度。使用聚合物進(jìn)行粘合劑噴射因其能夠生產(chǎn)用于醫(yī)學(xué)建模和產(chǎn)品原型的多色部件。

3.砂粘合劑噴射

△砂粘合劑噴射

砂粘合劑噴射與塑料粘合劑噴射在打印機(jī)和打印流程上有所不同，所以這里將其進(jìn)行區(qū)分。生產(chǎn)大型砂鑄模具、模型和型芯是粘合劑噴射技術(shù)最常見(jiàn)的用途之一。該工藝的低成本和速度使其成為鑄造廠(chǎng)的絕佳解決方案，因?yàn)槭褂脗鹘y(tǒng)技術(shù)很難在幾小時(shí)內(nèi)生產(chǎn)精細(xì)圖案設(shè)計(jì)。

工業(yè)發(fā)展的未來(lái)不斷對(duì)代工廠(chǎng)和供應(yīng)商提出高要求。沙子3D打印正處于其潛力的開(kāi)端。打印后，打印人員需要將型芯和模具從構(gòu)建區(qū)域移除并清潔以去除任何松散的沙子。模具通常可以立即準(zhǔn)備好進(jìn)行鑄造。鑄造后，模具被拆開(kāi)，最終的金屬部件被移除。

4.多射流融合 (MJF)

△巴斯夫和惠普合作為 MJF 開(kāi)發(fā)了一種新型工業(yè)級(jí)聚丙烯

另一種獨(dú)特且品牌特定的 3D 打印工藝不容易歸入任何現(xiàn)有類(lèi)別，實(shí)際上也不是粘合劑噴射，這就是HP 的Multi Jet Fusion。MJF 是一種聚合物 3D 打印技術(shù)，使用粉末材料、液體融合材料和細(xì)化劑。它不被認(rèn)為是粘合劑噴射的原因是在這個(gè)過(guò)程中增加了熱量，這會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)度和耐用性更高的部件，而且液體并不完全是粘合劑。該過(guò)程的名稱(chēng)來(lái)源于執(zhí)行打印過(guò)程的多個(gè)噴墨頭。

在 Multi Jet Fusion 打印過(guò)程中，打印機(jī)在打印床上鋪設(shè)一層材料粉末，通常是尼龍。在此之后，噴墨頭穿過(guò)粉末并將熔化劑和細(xì)化劑沉積在其上。然后紅外線(xiàn)加熱裝置在打印品上移動(dòng)。無(wú)論在何處添加助熔劑，下層都會(huì)熔化在一起，而帶有細(xì)化劑的區(qū)域仍保持粉末狀。粉狀部分脫落，產(chǎn)生所需的幾何形狀。這也消除了對(duì)建模支持的需要，因?yàn)橄聦又С执蛴≡谒鼈兩厦娴膶印�為了完成打印過(guò)程，整個(gè)粉末床以及其中的打印部件被移動(dòng)到一個(gè)單獨(dú)的處理站，大部分松散的未熔融粉末被抽真空，可以重復(fù)使用。

Multi Jet Fusion 是一種多功能技術(shù)，已在汽車(chē)、醫(yī)療保健和消費(fèi)品等多個(gè)行業(yè)中得到應(yīng)用。

△HP Jet Fusion 5200 系列是 HP Multi Jet Fusion 3D 打印機(jī)的多種尺寸和樣式之一（來(lái)源：惠普）

六、粉末定向能量沉積

定向能量沉積 (DED) 是一種 3D 打印工藝，金屬材料在沉積的同時(shí)被強(qiáng)大的能量供給和熔化。這是最廣泛的 3D 打印類(lèi)別之一，包含許多子類(lèi)別，具體取決于材料的形式（線(xiàn)材或粉末）和能量類(lèi)型（激光、電子束、電弧、超音速、熱量等）。從本質(zhì)上講，與焊接有很多共同點(diǎn)。

該技術(shù)用于逐層打印，通常隨后進(jìn)行 CNC 加工，以實(shí)現(xiàn)更嚴(yán)格的公差。DED 與 CNC 的結(jié)合使用非常普遍，有一種稱(chēng)為混合 3D 打印的 3D 打印子類(lèi)型，在同一臺(tái)機(jī)器中包含 DED 和 CNC 單元的混合 3D 打印機(jī)。該技術(shù)被認(rèn)為是一種更快、更便宜的小批量金屬鑄件和鍛造件的替代品，以及用于海上石油和天然氣行業(yè)以及航空航天、發(fā)電和公用事業(yè)行業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵維修。

△DED 金屬 3D 打印技術(shù)可以快速創(chuàng)建一個(gè)堅(jiān)固的金屬部件，然后可以加工到嚴(yán)格的公差

●定向能量沉積的子類(lèi)型：粉末激光能量沉積、線(xiàn)弧增材制造 (WAAM)、線(xiàn)電子束能量沉積、冷噴涂

●材料：各種金屬，線(xiàn)材和粉末形式

●尺寸精度：±0.1 mm

●常見(jiàn)應(yīng)用：修復(fù)高端汽車(chē)/航空航天部件、功能原型和最終部件

●優(yōu)勢(shì)：高堆積率，能夠向現(xiàn)有組件添加金屬

●缺點(diǎn)：由于無(wú)法制作支撐結(jié)構(gòu)而無(wú)法制作復(fù)雜的形狀，通常表面光潔度和精度較差

1.激光定向能量沉積

△使用激光和粉末金屬的 3D 打印金屬

激光定向能量沉積 (L-DED)，也稱(chēng)為激光金屬沉積 (LMD) 或激光工程凈成形 (LENS)，使用通過(guò)一個(gè)或多個(gè)噴嘴送出金屬粉末或金屬絲，并通過(guò)強(qiáng)大的激光熔化構(gòu)建平臺(tái)或金屬部件上。隨著噴嘴和激光的移動(dòng)或零件在多軸轉(zhuǎn)盤(pán)上的移動(dòng)，物體會(huì)逐層堆積。構(gòu)建速度比粉末床熔化更快，但會(huì)導(dǎo)致表面質(zhì)量降低和精度顯著降低，通常需要大量的后加工。激光 DED 打印機(jī)通常具有充滿(mǎn)氬氣的密封室以避免氧化。在處理反應(yīng)性較低的金屬時(shí)，它們還可以?xún)H使用局部氬氣或氮?dú)膺M(jìn)行操作。

該工藝中常用的金屬包括不銹鋼、鈦和鎳合金。這種打印方法通常用于修復(fù)高端航空和汽車(chē)部件，例如噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，但也用于生產(chǎn)整個(gè)部件。

△Meltio M450 送絲激光 DED 3D 打印機(jī)、Optomec LENS CS 600 金屬粉末送料激光 DED 3D 打印機(jī)和 DMG Mori Lasertec 65 DED 送粉激光 DED 3D 打印機(jī)。

2.電子束定向能量沉積

△電子束 DED 3D 打印

電子束 DED，也稱(chēng)為線(xiàn)電子束能量沉積，是一種與激光 DED 非常相似的 3D 打印工藝。它是在真空室中進(jìn)行的，可以生產(chǎn)出非常干凈、高質(zhì)量的金屬。當(dāng)一根金屬絲通過(guò)一個(gè)或多個(gè)噴嘴時(shí)，它會(huì)被電子束熔化。層是單獨(dú)構(gòu)建的，電子束形成一個(gè)微小的熔池，焊絲由送絲機(jī)送入熔池。在處理高性能金屬和活性金屬（例如銅、鈦、鈷和鎳合金）時(shí)，選擇電子束用于 DED。

DED 機(jī)器實(shí)際上在打印尺寸方面不受限制。例如，3D 打印機(jī)制造商 Sciaky 擁有一臺(tái) EB DED 機(jī)器，可以以每小時(shí) 3 到 9 公斤材料的速度生產(chǎn)近 6 米長(zhǎng)的零件。電子束 DED 被吹捧為制造金屬部件最快的方法之一，盡管不是最精確的，這使其成為構(gòu)建大型結(jié)構(gòu)（例如機(jī)身）或替換零件（例如渦輪葉片）的理想加工技術(shù)。

△線(xiàn)材電子束沉積3D打印

3.線(xiàn)控能量沉積

△Gefertec 電弧增材制造 (WAAM) 打印

Wire Directed Energy Deposition，也稱(chēng)為Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM)，是一種 3D 打印，它使用等離子或電弧形式的能量來(lái)熔化線(xiàn)材形式的金屬，并通過(guò)機(jī)械臂將金屬一層一層地沉積到表面，例如多軸轉(zhuǎn)盤(pán)，形成一個(gè)形狀。之所以選擇這種方法而不是選擇激光或電子束的類(lèi)似技術(shù)，是因?yàn)樗�不需要密封室，并且可以使用與傳統(tǒng)焊接相同的金屬（有時(shí)是完全相同的材料）。

電直接能量沉積被認(rèn)為是 DED 技術(shù)中最具成本效益的選擇，可以使用現(xiàn)有的弧焊機(jī)器人和電源，因此進(jìn)入門(mén)檻相對(duì)較低。但與焊接不同，這項(xiàng)技術(shù)使用復(fù)雜的軟件來(lái)控制過(guò)程中的一系列變量，包括機(jī)械臂的熱管理和工具路徑。這種技術(shù)沒(méi)有要移除的支撐結(jié)構(gòu)，成品零件通常在必要時(shí)經(jīng)過(guò) CNC 加工以達(dá)到嚴(yán)格的公差或表面拋光。

△Gefertec 和 WAAM3D 的線(xiàn)弧增材制造 3D 打印機(jī)。

4.冷噴涂

△冷噴涂

冷噴涂是一種 DED 3D 打印技術(shù)，以超音速?lài)娡拷饘俜勰�，以在不熔化的情況下將它們結(jié)合起來(lái)，幾乎不會(huì)產(chǎn)生熱裂紋或熱應(yīng)力。自 2000 年代初以來(lái)，它一直被用作涂層工藝，但最近，幾家公司已將冷噴涂用于增材制造，因?yàn)樗�可以以比典型金�?D工藝高 50 到 100 倍的速度進(jìn)行打印，并且不需要惰性氣體或真空室。

與所有 DED 工藝一樣，冷噴涂不會(huì)產(chǎn)生表面質(zhì)量或細(xì)節(jié)都很好的打印件，但零件可以直接從打印床上使用。

5.熔融直接能量沉積

△熔融直接能量沉積：使用 Xerox 的 ElemX 3D 液態(tài)金屬打印制作的鋁制部件

熔融直接能量沉積是一種 3D 打印工藝，它使用熱量熔化金屬（通常是鋁），然后將其逐層沉積在構(gòu)建板上以形成 3D 物體。該技術(shù)與金屬擠出 3D 打印的不同之處在于，擠出使用內(nèi)部含有少量聚合物的金屬原料，使金屬可擠出。然后在熱處理階段去除聚合物，而熔融DED用純金屬。人們也可以將熔融或液態(tài) DED 比作材料噴射，但不是一系列噴嘴沉積液滴，液態(tài)金屬通常從噴嘴流出。

這項(xiàng)技術(shù)的變體正在開(kāi)發(fā)中，熔融金屬 3D 打印機(jī)很少見(jiàn)。使用熱量熔化然后沉積金屬的好處是能夠使用比其他DED工藝更少的能量，并可能直接使用回收金屬作為原料，而不是金屬絲或高度加工的金屬粉末。

七、片材層壓

△片材層壓

片材層壓在技術(shù)上是3D打印的一種形式，與上述技術(shù)有很大不同。它的功能是將非常薄的材料片堆疊和層壓在一起以產(chǎn)生 3D 物體或堆疊，然后通過(guò)機(jī)械或激光切割以形成最終形狀。材料層可以使用多種方法融合在一起，包括加熱和聲音，具體取決于材料，材料范圍從紙張、聚合物到金屬。當(dāng)零件被層壓然后激光切割或加工成所需的形狀時(shí)，會(huì)產(chǎn)生比其他3D打印技術(shù)更多的浪費(fèi)。

制造商使用薄片層壓以相對(duì)較高的速度生產(chǎn)具有成本效益的非功能性原型，可用于電池技術(shù)、生產(chǎn)復(fù)合材料，因?yàn)樗�使用的材料可以在打印過(guò)程中互換。

●3D 打印技術(shù)的類(lèi)型：層壓物體制造 (LOM)、超聲波固結(jié) (UC)

●材料：紙張、聚合物和片狀金屬

●尺寸精度：±0.1 mm

●常見(jiàn)應(yīng)用：非功能原型、多色打印、鑄模。

●優(yōu)點(diǎn)：可以快速生產(chǎn)，復(fù)合打印

●缺點(diǎn)：精度低，浪費(fèi)多，部分零件需要后期制作

層壓增材制造

△層壓增材制造

層壓是一種 3D 打印技術(shù)，其中將材料片層疊在一起并使用膠水粘合在一起，然后使用刀（或激光或 CNC 路由器）將分層物體切割成正確的形狀。該技術(shù)如今不太常見(jiàn)，因?yàn)槠渌?3D 打印技術(shù)的成本已經(jīng)下降、速度和易用性大幅增加。

△BCN3D 使用樹(shù)脂的粘性光刻制造 (VLM) 3D 打印工藝（來(lái)源：BCN3D）

粘性光刻制造 (VLM)：VLM 是 BCN3D 的專(zhuān)利 3D 打印工藝，可將高粘度光敏樹(shù)脂薄層層壓到透明轉(zhuǎn)移膜上。機(jī)械系統(tǒng)允許樹(shù)脂從薄膜的兩面層壓，從而可以組合不同的樹(shù)脂以獲得多材料部件和易于拆卸的支撐結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)技術(shù)尚未商業(yè)化，但也可以屬于其中一種層壓3D 打印技術(shù)。

基于復(fù)合材料的增材制造 (CBAM)：Startup Impossible Objects 為這項(xiàng)技術(shù)申請(qǐng)了專(zhuān)利，該技術(shù)將碳、玻璃或 Kevlar 墊與熱塑性塑料融合在一起以制造零件。

選擇性層壓復(fù)合材料制造 (SLCOM)：EnvisionTEC，現(xiàn)稱(chēng)為 ETEC，歸 Desktop Metal 所有，于 2016 年開(kāi)發(fā)了這項(xiàng)技術(shù)，該技術(shù)使用熱塑性塑料作為基礎(chǔ)材料和編織纖維復(fù)合材料。

注：3D打印技術(shù)的種類(lèi)很多，以上是3D打印中最常見(jiàn)的七大類(lèi)增材制造技術(shù)，并未覆蓋市場(chǎng)上全部的3D打印技術(shù)。

(責(zé)任編輯：admin)

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