3D科学谷曾在《烧结变形、几何形状受限…间接金属3D打印的短板正在消失》一文中分享到Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术与几乎所有其他金属3D打印工艺相比都是独一无二的，因为在3D打印过程中不会产生大量的热量。这使得高速打印成为可能，并避免了金属3D打印过程中的残余应力问题。Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术将热加工过程转移到烧结步骤，这使得更容易管理热应力，因为烧结温度低于其他类型的金属3D打印工艺中所需的完全熔化温度，并且热量可以更均匀地施加。然而，这并不能完全消除温度梯度和产生残余应力的挑战。
可以说以Binder Jetting为代表的间接金属3D打印技术是面向批量经济型金属零件的打印应用市场而诞生的。
不过，间接金属3D打印技术本身也包含着不同类型的打印技术。本期，3D科学谷结合弗劳恩霍夫Fraunhofer IFAM的MoldJet 3D打印技术，来领略模具打印与金属填充打印的结合如何最大化生产力。
© Fraunhofer IFAM
模具打印与浆料填充
打印工艺
Fraunhofer IFAM的MoldJet®工艺的两个基本的工艺步骤是打印模具，使其成为所需零件几何形状的框架，并用金属浆料填充该模具。这两个过程步骤彼此交替。
© Fraunhofer IFAM
首先，是通过喷墨打印工艺由蜡状聚合物制成的模具。在该过程中，将聚合物在容器中加热，并通过打印头将材料一滴一滴地施加到基材上。这些液滴重叠并形成均匀模制的层。在下一步中，可以使用辊子使模具层光滑并确保整个打印区域上的层高均匀。
然后将金属酱料填充到模具中，这些金属浆料由所需合金的金属粉末和有机粘合剂体系组成。浆料从墨盒中均匀地喂入到槽模头中，以确保均匀地转移到模具中。然后，缝模头在基材上均匀移动，并将浆料连续填充模具的型腔。
这些浆料是被压入空腔中的，以克服毛细作用力并避免无材料的区域。同时，可以确保将多余的材料清除并收集到模具区域的后面。
填充每层模具后，是进行干燥和硬化的步骤。这三个过程步骤-模具打印，模具填充和干燥-逐层重复进行，直到生产出所需的零件为止。每个单独的模具层的布局都可以灵活，独立地调整。这样就可以生产内部结构和通道以及带有90°悬垂式悬垂的零件。不过根据3D科学谷的了解制造过程并非完全自由无限制，例如需要避免完全封闭的内部通道，否则以后就无法去除模具材料。
3D打印过程中的一大挑战是质量控制。根据3D科学谷的深度了解，Fraunhofer IFAM特别为MoldJet®工艺配备了检测与控制（DAC）工艺步骤。从而可以通过高分辨率相机扫描每个打印层，可以存储每一层的图像数据。此外，机器操作员可以在每个打印层之后决定机械后处理步骤。在出现打印错误的情况下，可以清除最后的打印层并再次打印。
最后可以得到由模具材料和封闭的打印生坯组成的毛坯产品。随后，必须进行脱模过程。在这里，蜡状模具材料只需熔化，脱模后的生坯将保留下来。然后，这些高强度的生坯也会在热处理炉中在机器外部进行热处理，并烧结成致密的金属零件。
© Fraunhofer IFAM
Fraunhofer IFAM的机器配置
根据3D科学谷的了解，Fraunhofer开发的概念机器允许使用六个独立的工作站和六个独立的工作台，即所谓的托盘。工作站和托盘都排列成一个圆形。工作站是固定的，而托盘则布置在旋转的旋转器上，以便从一个工作站移动到下一个工作站。
© Fraunhofer IFAM
在Fraunhofer IFAM的MoldJet®设备中，第一个工作站可以同时使用四个喷墨打印头。每个模具的分辨率为2400 x 1800 DPI，X方向的分辨率为11 µm，Y方向的分辨率为14 µm，Z方向的分辨率为100 µm。当前，可制造层的高度为100μm。在不久未来，这将是灵活可调的，以生产更多的零件或实现更高的生产率。
在模具填充站内，使用宽度为235 mm且有效填充宽度为180 mm的缝模头将浆料填充到模具层中。在当前配置中，MoldJet®设备具有两个干燥和一个硬化站。与前两个工位相比，根据浆料的不同，干燥有时会花费最长的时间。工作时间最长的工作站决定了整个制造的周期，从而决定了整个机器的产出，这就是该机器具有多个干燥站的原因。
这意味着，例如，在一个托盘进行干燥的时间内，干燥过程可以分开进行，并且可以在其他打印过程中继续进行干燥。
每层数据的检查和存储提供了将来处理这些数据的可能性。根据3D科学谷的深度了解，以后通过智能算法和机器学习过程，必须由机器而不是操作员来决定是否需要返工。
MoldJet设备中的托盘布置的示意图，托盘的尺寸为400 x 240 x 120毫米（长x宽x高）。© Fraunhofer IFAM
使用六个独立的托盘，通过MoldJet®工艺可以实现高达1600cm³/ h的生产率。
炉子过程中部件的收缩率与其他基于烧结的增材制造过程相似，约为11-15％。可以实现> 99％的相对组件密度。MoldJet®工艺的一个显着特点是高的生坯强度。这样就可以在不进行任何损坏的情况下运输组件，直到进行热处理（热脱脂，烧结）为止。根据3D科学谷的了解关于可以使用的粉末，MoldJet®工艺几乎没有任何限制。那些具有成本效益的MIM粉末可以直接用在MoldJet®工艺。
结论
MoldJet®工艺是为基于烧结的增材制造领域的工业应用而创建的制造工艺。
根据3D科学谷的了解目前该过程具有以下特征：
- 最高1,600cm³/ h的生产率
- 可以生产大批量的零件
- 易于扩展的零件数量（从一件到批量生产）
- 几乎没有设计限制（内部通道，甚至90°的悬垂等）
- 不需要零件材料的支撑结构
- 高生坯强度
- 无需花费大量的操作时间即可拆除或拆除支撑结构
- 可以使用低成本的标准粉末（例如MIM粉末）
- 安全的工艺
- 多种材料系统（所有可烧结材料）
总体来说Fraunhofer IFAM的MoldJet®工艺优势在于，Fraunhofer IFAM可以提供从金属浆料开发，打印测试，几何形状优化和热处理（热脱脂，烧结）组成的整个过程链，以实现致密的功能部件低成本制造。
更多信息，请参考3D科学谷发布的《不锈钢3D打印白皮书》
l 文章来源：3D科学谷市场研究团队
白皮书下载，加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿请发送至2509957133@qq.com
欢迎转载，转载请注明来源3D科学谷，并链接到3D科学谷网站原文。
