武漢易制蔡道生：生產(chǎn)級MBJ(金屬粘結(jié)劑噴射成型)3D打印速度到底多少算得上優(yōu)秀？

導(dǎo)讀：MBJ(金屬粘結(jié)劑噴射成型)在批量生產(chǎn)方面有著巨大的優(yōu)勢，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療健康、電子設(shè)備等領(lǐng)域。那么生產(chǎn)級MBJ的打印速度到底多少算得上優(yōu)秀？如何提高M(jìn)BJ系統(tǒng)的打印速度呢？來自武漢易制科技的蔡道生對此發(fā)表了自己的見解。

易制科技(EasyMFG)成立于2013年12月，公司核心研發(fā)團(tuán)隊(duì)源于華中科技大學(xué)，深耕3D打印行業(yè)二十多年，曾獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎、湖北省科技進(jìn)步一等獎及多項(xiàng)省部級獎勵，主持和參與過多項(xiàng)國家“863”重大專項(xiàng)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家數(shù)控重大專項(xiàng)、國家支撐計(jì)劃、湖北省重大科技創(chuàng)新項(xiàng)目等多項(xiàng)大型項(xiàng)目，依靠自身在SLS、SLM、SLA等多種主流3D打印相關(guān)技術(shù)等方面的沉淀和積累，自主開發(fā)"粘結(jié)劑噴射金屬3D打印系統(tǒng)"、面向鑄造行業(yè)的"砂型打印機(jī)"和"全彩色3D打印機(jī)"，其中最新核心產(chǎn)品"粘結(jié)劑噴射金屬3D打印系統(tǒng)MBJ"在國內(nèi)最先開展商業(yè)應(yīng)用。

一、MBJ技術(shù)介紹



Binder Jetting (BJ)的發(fā)明可以追溯到80年代末和90年代初，主要?dú)w功于麻省理工學(xué)院的兩位教授（Emanuel Sachs和Michael Cima）。起初，這項(xiàng)技術(shù)的專利名稱叫做“Three-dimensional Printing”，可能是因?yàn)檎澈蟿﹪娚涞倪^程與普通家用噴墨打印機(jī)的過程極為相似，后來，人們更廣泛地使用了ASTM標(biāo)準(zhǔn)所定制的名字——Binder Jetting。



粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)是面向批量經(jīng)濟(jì)型金屬零件的打印應(yīng)用市場而誕生的，與幾乎所有其他金屬3D打印工藝相比都是獨(dú)一無二的，因?yàn)樵?D打印過程中不會產(chǎn)生大量的熱量，這使得高速打印成為可能，并避免了金屬3D打印過程中的殘余應(yīng)力問題。由于其具有效率高、速度快、設(shè)備成本低、無需額外支撐等特點(diǎn)，在業(yè)界被普遍認(rèn)為是真正可以大規(guī)模量產(chǎn)的一個(gè)技術(shù)路線，可進(jìn)入社會化大制造，市場潛力達(dá)萬億美元級別。該技術(shù)正以不可思議的方式改變業(yè)界對這項(xiàng)技術(shù)先入為主的認(rèn)知，《MIT科技評論》把該技術(shù)評為2018年全球十大突破性技術(shù)，評價(jià)其意義在于“可以快速、低成本地制造大型金屬對象，可能會給制造業(yè)帶來顛覆性改變”。蔡道生表示，總體而言，金屬BJ技術(shù)近年才引起關(guān)注，技術(shù)成熟度還在不斷提升。



成型原理：BJ技術(shù)使用噴墨打印頭將粘合劑噴到粉末中，從而將一層粉末在選擇的區(qū)域內(nèi)粘合。每一層粉末又會同之前的粉層通過粘合劑的滲透結(jié)合為一體，如此層層疊加制造出三維結(jié)構(gòu)的物體。這項(xiàng)技術(shù)適用于高分子材料、金屬和陶瓷材料的制造。當(dāng)用于金屬和陶瓷材料時(shí)，原型件需要通過高溫?zé)Y(jié)將粘合劑去除，以獲得有一定密度和強(qiáng)度的成品。

技術(shù)優(yōu)勢：
●線成形效率高

●無熱源成型應(yīng)力小，可以實(shí)現(xiàn)無支撐堆疊打印


●成型-致密化過程分離，可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)

●成本低，以鈦合金為例，BJ的成本比SLM的成本低70%。



△BJ與其他傳統(tǒng)工藝在批量生產(chǎn)方面的對比

如上圖所示，是BJ與其他傳統(tǒng)工藝在批量生產(chǎn)方面的對比。AM1.0技術(shù)(如FDM、PBF）的成本盈虧平衡點(diǎn)通常在100到1000件，適合小批量的生產(chǎn)制造。從圖上不難看出，相比于其他AM技術(shù)，BJ很適合大批量生產(chǎn)，其成本很低，但在批量生產(chǎn)達(dá)到100K后，相比于傳統(tǒng)制造(鑄造、MIM），其成本優(yōu)勢逐步降低，這主要是因?yàn)槠浯蛴∷俣鹊南拗疲?strong>那么生產(chǎn)級MBJ的打印速度到底多少算得上優(yōu)秀？



蔡道生表示，目前很多廠商在介紹MBJ技術(shù)時(shí)，用“最大打印體積”模糊“真實(shí)打印速度”。所見的實(shí)際速度大多在15~60秒/層，一線廠商的生產(chǎn)極設(shè)備打印速度在10~20秒/層。整體速度還是偏低，如果想要再降低生產(chǎn)級BJ的成本，打印速度要小于13秒，終極目標(biāo)應(yīng)該在7秒左右。

二、打印速度的影響因素

MBJ打印過程由以下幾個(gè)方面組成：
1.軟件:切片 RIP
2.鋪粉
3.打印：噴墨速度 滲透速度
4.單層打印次數(shù)

蔡道生表示，真正限制MBJ打印速度的影響因素主要是鋪粉和墨水的滲透，其他環(huán)節(jié)應(yīng)該與舖粉和滲透限制的最大時(shí)間相匹配，機(jī)械運(yùn)動要達(dá)到幾乎等待無間隙的！鋪粉需要具有壓實(shí)功能，少產(chǎn)生揚(yáng)塵，與粉末流動性息息相關(guān)；滲透速度要提高，但過高的滲透效果會影響精度。

具體而言的改進(jìn)方向：

1.機(jī)械運(yùn)動：
●為提高鋪粉致密度（>55%），鋪粉機(jī)構(gòu)需要具備壓實(shí)功能，采用鋪粉輥來壓實(shí)是最常規(guī)的手段。

●一個(gè)長度400mm的工作缸，鋪粉機(jī)構(gòu)的最短運(yùn)行長度為700mm左右，目前來看100mm/s的鋪粉速度可以保證較好的鋪粉致密度和較少的揚(yáng)塵。

●最理想的效果是打印時(shí)間等于鋪粉時(shí)間。

2.打印噴頭配置方面：
●主流壓電噴頭的物理分辨率為600NPI。

●單排噴頭實(shí)現(xiàn)1200DPI打印需要兩次（往復(fù)運(yùn)動一次）。

●打印與鋪粉并行工作。

●對于高速打印，打印與鋪粉同向是最佳方式，可以保證耗時(shí)雖短。

●鋪粉機(jī)構(gòu)鋪完粉之后返回的空行程運(yùn)動時(shí)間對于單次打印時(shí)間。約2~3秒。

●要做到最高速度打印，打印時(shí)間等于鋪粉時(shí)間時(shí)，需配備雙排噴頭保證1200DPI分辨率，同時(shí)鋪粉機(jī)構(gòu)需要保證雙向鋪粉，此時(shí)復(fù)雜度和成本急劇增加。

3.其他方面：
●軟件整體需要保證數(shù)據(jù)處理時(shí)間小于鋪粉時(shí)間。

●切片軟件需要保證在線切片時(shí)間小于3秒，過于復(fù)雜的文件可以采用離線切片。

●對于400mm長寬的打印面積，打印數(shù)據(jù)處理時(shí)間需要在5秒以內(nèi)完成。這一點(diǎn)其實(shí)很難，需要在算法和數(shù)據(jù)格式方面著手解決。

●墨水滲透需要在合適的程度，滲透性差的墨水在短時(shí)高速打印時(shí)會推粉和粘鋪粉輥，過高的滲透率會影響精度，又需要從精細(xì)控制墨量方面解決，涉及到RIP和噴頭墨滴控制，這就是采用BJ技術(shù)做砂型和金屬打印的不同之處和難點(diǎn)。

●其他如噴頭擦拭等輔助動作都需要在鋪粉過程中并行工作同步完成。對于高速打印，打印與鋪粉同向是最佳方式，可以保證耗時(shí)最短。

三、推薦方案介紹



△集成方案

EASYMFG金屬機(jī)產(chǎn)品系列

△M550Max

M550Max：專為處理中到大型零部件的生產(chǎn)而設(shè)計(jì)，具有無與倫比的精度和效率。

△M400Pro

M400Pro該機(jī)型提供快速可靠的打印能力，為中小尺寸零件快速生產(chǎn)而設(shè)計(jì)。

△M150Inno

M150Inno: 作為粘結(jié)劑噴射金屬3D打印機(jī)的入門級模型，M150Inno專為滿足大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)在材料探索、工藝創(chuàng)新等相關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)需求而設(shè)計(jì)。

設(shè)備型號	M550Max	M400Pro	M150Inno
成型空間(mm)	L550×W370×H200	L400×W220×H200	L150xW70xH70
制件精度	±0.05mm
打印速度	10-15S/層
成型層厚(mm)	0.03-0.1 可調(diào)
送粉方式	篩分壓實(shí)上送粉，兼容各種形貌粉末
密封性	密閉結(jié)構(gòu)，可通惰性氣體
打印方式	One pass打印，鋪粉打印并行工作，效率高
工作缸固定方式	工作缸可更換
噴頭數(shù)量	壓電式噴頭，噴頭寬度等于工作缸的寬度
分辨率	噴頭NPI:600; 打印分辨率:1200
軟件支持格式	STL、3MF
電源要求	單相，220V，10A，50HZ
成型材料	鈦合金、鐵基粉末、銅粉、不銹鋼粉等

更多內(nèi)容查看易制科技官網(wǎng)：http://easy3dmade.com/，易制科技新官網(wǎng)www.easymfg3d.com將會在近期發(fā)布。