根據ACAM亞琛增材制造中心在2021年formnext深圳展會上關于《增材制造技術“深潛”-前沿發展趨勢》的分享，3D打印-增材制造的發展趨勢朝向多維度的深化層面，面向量產應用，3D打印突破當前應用對經濟性要求的限制，向應用端深度延伸走向產業化的一條發展路徑是實現結構更加復雜的產品。

　　金屬3D打印領域，以Binder Jetting-粘結劑噴射金屬3D打印技術為代表的間接金屬3D打印以高速，低成本獲得了業界的高度關注。粘結劑噴射金屬3D打印技術，從生產效率、經濟性的角度看充分的滿足了面向量產的應用，那么粘結劑噴射金屬3D打印技術在實現結構更加復雜的產品方面又面臨什么樣的挑戰呢?

　　本文將從影響零件質量的后處理環節中的脫脂、燒結工藝進行深入剖析，以提供更好的駕馭粘結劑噴射制造工藝的整體思路。

　　粘結劑噴射金屬3D打印技術

　　熟悉Binder Jetting粘結劑噴射金屬3D打印技術的業界人士不難發現，傳統金屬注射成型工藝MIM制造的硬質工件流程中的脫脂，燒結過程與粘結劑噴射金屬3D打印技術所需要的后處理過程是一致的。

 

　　Binder Jetting粘結劑噴射金屬3D打印技術的后處理有三個目標：

　　· 從粉末床中提取“生坯”零部件并對其進行脫粉，而不損壞零件本身。

　　· 脫脂并燒結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劑組成，脫脂主要去除第一階段粘結劑的過程，僅通過最少量的第二階段粘接劑保持在一起，該粘結劑將在燒結過程中同時去除。因此，脫脂后的生坯零部件非常脆弱。

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

　　• 溶劑脫脂

　　• 熱脫脂

　　• 熱催化脫脂

　　對于溶劑脫脂，將零件放入裝有可溶解粘結劑的溶劑的罐中。根據了解，這種變體只需要簡單的設備并且相對便宜。然而，危險液體的處理會導致安全問題，脫脂過程需要 24-48 小時才能有效去除可萃取溶劑。

　　熱脫脂過程基于粘結劑體系的熱分解?？梢栽谟糜跓Y過程的同一爐或低成本的預處理爐中進行。然而，該過程耗時且僅適用于粘結劑飽和度低的生坯。因此，大多數 Binder Jetting 零部件都是通過熱脫脂來脫脂的。然而，由于帶入爐內的有機材料量增加，設備維護增加。

　　對于熱催化脫脂，將部件置于氣態酸環境中并加熱至約 120 °C。該過程運行速度快，但相對昂貴，并且需要處理氣態酸的基礎設施。

　　去粘結是一個緩慢的過程，因為粘結劑必須通過微小的多孔材料結構蒸發。如果施加太多的熱量和能量，則金屬顆?；|受到干擾，導致最終部件質量受到不利影響。粘結劑以約1厘米/小時的速度從外表面移除，因此較厚的部分可能需要數天才能解除粘結。

　　去除粘結劑后，零件處于非常脆弱的狀態，包含最少量的二次粘結劑，因此在處理時非常脆弱。

　　

　　燒結

　　為了達到金屬部件的結構完整性，需要進行燒結工藝。

　　當使用需要額外處理的支撐/定位器材料的時候，常規的支撐/定位器策略和技術會導致零部件加工的失敗，例如支撐/定位器結構發生變形或收縮的時候會影響到零部件的結構，這時候就需要十分匹配的策略使得支撐/定位器結構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3D科學谷的市場研究，Desktop Metal與2018年申請了可分離支撐/定位器技術專利，專利中提到了一種在零部件和支撐/定位器結構之間制造界面層，以便在燒結期間抑制支撐結構和相鄰的零部件表面之間的結合。

　　支撐/定位器由陶瓷材料單獨制造，定位器的生產成本更高，更耗時，但它們可重復使用，因此可以節省大批量生產的時間和材料成本。必須仔細設計支撐/定位器，以在燒結過程中支撐零件，以補償零件收縮和熱應力轉移。

　　零件在接近熔化溫度但低于熔化溫度的爐子中加熱。該過程分為三個階段，其中一個階段被定義為粉末顆粒和孔隙幾何變化的區間。在初始燒結階段，粉末顆粒僅通過范德華力結合。當達到燒結溫度時，顆粒的結合之間會形成頸部。在此期間，熱脫脂過程的保持時間被設定為次級粘結劑的相應分解溫度。

　　燒結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。在這個階段，產生了孤立的孔隙結構。

　　在燒結的第三階段 ，孔徑進一步減小，直至孔隙幾乎完全消除。在燒結過程中會發生相對較大的體積收縮?；旧显诿總€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得更快，這些部分將應力引入厚度變化的零部件中。此外，零部件燒結后的冷卻進一步放大了這種效果。這些熱梯度和應力會使部件翹曲和損壞，并可能產生影響材料特性的非均勻晶粒結構。

　　收縮率

　　管理和補償燒結階段發生的大量收縮是Binder Jetting粘結劑噴射金屬3D打印技術面臨的最大挑戰之一。零件在爐內收縮30-40%，線性收縮15-20%。如果零件很小并且壁厚均勻，那么收縮是可以預測的。然而，不同厚度的大型零部件的燒結過程會對幾何形狀產生非常復雜的問題。根據3D科學谷的市場研究，燒結收縮目前嚴重限制了Binder Jetting粘結劑噴射金屬3D打印技術適用的幾何形狀和應用類型。

　　收縮率還可能受到其他參數的影響，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，零件的底面在燒結底板上滑動。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。這會導致零件變形。

　　摩擦效應可以通過燒結底板或活動墊板來減少，它們的收縮方式與零件相同，因為它們由相同的材料制成。

　　由于燒結過程中發生的零件收縮，需要通過補償以解決失真。正在開發的軟件工具可以更好地模擬和預測補償方案，然后相應地調整零件幾何形狀。然而這不是一個簡單的解決方案，有時候只對特定的幾何形狀有意義。

　　根據3D科學谷的市場觀察，拿Desktop Metal舉例，實時仿真方面Desktop Metal與多物理場模擬軟件開發商ANSYS合作緊密。ANSYS的Discovery Live平臺允許對CAD模型進行更改，以顯示流體或空氣流量如何實時受到影響，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計變更的影響，這個平臺支持流體、結構和熱模擬應用。這使得設計師可以通過交互的方式探索簡單和復雜變化的影響，迭代變得更加快速便捷。

　　燒結過程中，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。首先進行脫粘循環，燒掉粘結劑的聚合物組分，溫度通常在200-600℃范圍內。必須從部件中完全除去所有粘結劑，否則粘結劑中的殘余碳將對燒結過程產生負面影響并損害最終零部件性能。

　　不過這一切或許在發生改變，根據3D科學谷的市場觀察，Desktop Metal收購了Meta Additive，Meta Additive的非犧牲性粘結劑解決方案使得燒結收縮從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化一些微結構。

　　據悉Meta Additive的粘結劑在使用過程中，主要是化學反應，而不僅是物理反應。這是在基于70年代就發明的原子層沉積 (ALD)與化學氣相沉積 (CVD)的科技樹和相關產業成果基礎上，進行的化學技術的研發。這種由分子成分、納米成分和微成分組成的粘結劑，納米顆粒填充在粉末間隙來實現顆粒間結合和滲透，相當于在3D打印過程中將粘結劑均勻無孔地沉積在金屬粉末床顆粒的空隙之間。

　　l 溫度

　　燒結的過程對于最終產品的質量起到了關鍵的作用，零部件需要特定的時間來壓實并達到最終的密度和機械性能。溫度曲線的設定必須根據零件的材料和幾何形狀進行調整。因此，燒結工藝參數取決于材料等多種因素，不能一概而論。

　　l 氣體

　　在燒結過程中，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，必須根據使用的材料調整氣體。

　　通常在燒結時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境以防止脫碳。

　　氫氣氣氛用于減少粘結劑系統中的碳并防止其擴散到金屬中。因此，在燒結不銹鋼時，H2 對控制和最小化 C 含量至關重要。

　　另一個相關因素是脫脂和燒結爐內使用的氣體流量。為獲得最佳結果，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

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

　　特別是脫脂過程受粉末粒徑的影響，脫脂的保持時間會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，還應研究脫脂性能以正確設計工藝。

　　粉末的粒度和分布差異會導致需要在不同的時間長度和溫度下燒結，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間下燒結。

　　不充分的燒結也可能是由粉末化學引起的。內含物、添加劑和氧化會導致金屬部件燒結無效。污染還會影響零件在燒結過程中的行為，并可能導致不可預測的收縮。

　　l 生坯特性

　　脫脂后，生坯部件由于缺少第一級粘結劑而非常脆弱。這些零件現在不能進行機械處理，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現的細節水平。在開箱或搬運過程中，薄壁、銷釘或鋒利的邊緣可能會破裂。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，粘結劑噴射的單件成本還受設計等幾個不同因素的影響。

　　每個零件的成本主要取決于每個零件的體積，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建速率會影響相對恒定的每立方厘米成本。雖然燒結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。

　　可以通過增加一項構建作業中的零件數量來降低每個零件的成本。如果生坯零件的拆包通過手工作業完成，那么設計最好是針對拆包進行了優化，則可以節省昂貴的人工時間，甚至可以實現自動化解決方案。

　　（來源：3D科學谷）