近日哈尔滨工业大学红外薄膜与晶体团队从缺陷角度对粘结剂喷射工艺（Binder Jetting，BJ）进行了一个全面的综述。根据BJ成型机理，首次系统地将BJ相关成型缺陷分为切片缺陷、铺粉缺陷、单层打印缺陷、多层打印缺陷和脱粉缺陷五类。特别强调了粘合剂与粉末床相互作用引起的异常现象，这从根本上将 BJ 与传统的增材制造工艺区分开来，对粘结剂增材制造领域的成型质量的基础研究具有重要意义。相关成果以Review of the types, formation mechanisms, effects, and elimination methods of binder jetting 3D-printing defects为题发表在中科院1区TOP期刊Journal of Materials Research and Technology（IF：6.4）上。

文章链接
https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.11.045

 前言

粘合剂喷射(BJ) 于1993年由麻省理工学院发明。其形成过程主要依赖于粉末-粘合剂-粉末方法的粘合，因此BJ几乎可以打印任何可以完成粉末铺展过程的材料，例如316L、铜、钛合金、SiC和WC。BJ 打印的复杂结构部件，如图1所示。此外，作为能量输入最低的3D打印方法，BJ具有较低的热残余应力、更高的生产率和更好的粉末可回收性等优点。因此，BJ具有巨大的发展潜力。目前，对成型过程中缺陷背后的机制缺乏了解仍然是BJ技术发展的主要障碍。与广泛研究的激光打印方法相比，关于 BJ 缺陷的报道仍然零散且缺乏全面的分析。

图1 BJ 打印零件

目前，BJ研究综述主要集中在打印粘合剂、打印材料和打印工艺参数。这些过程中缺陷的耦合效应常常被忽视。没有任何报告提供详细而深入的总结。Dini等重点介绍了BJ成形过程中的粘结剂注入过程和烧结过程，以及缺陷及其缓解方法。然而，他们忽视了粉床内粘结剂累积和渗透所产生的综合缺陷，包括“bleeding”、“weak binding”、“shearing”等问题。Pastre等对BJ形成过程中遇到的缺陷及其影响因素进行了初步回顾。然而，他们的讨论仅限于从宏观层面的缺陷进行不太全面和孤立的总结。忽略了粉末铺展对粉末的限制以及喷射工艺对粘合剂的要求。此外，他们没有提供针对这些缺陷的机制、互连和克服策略的深入总结。总体而言，迄今为止，还没有专门针对BJ缺陷的综合报道。这也是本综述的首要目的：率先全面概述当前BJ成型工艺中遇到的缺陷，深入研究了缺陷形成的机制、克服策略。

图2 BJ打印原理及相应缺陷分类示意图

 切片缺陷

当获得打印模型之后，3D打印的第一步是将 3D 计算机辅助设计 (CAD) 模型转换为 2D 平面，以便逐层制造。由于单层打印表面厚度的存在以及CAD模型的任意性，打印部分与CAD模型的边界很难准确匹配，导致打印图形与CAD模型之间存在差异。我们将这些差异称为“切片缺陷”。研究人员主要将切片缺陷视为“阶梯效应”。尽管相关研究较少，但由于粘合剂渗透造成的渗透误差不可忽略。减少打印过程中切片缺陷造成的精度下降，从而缩短后处理周期仍然是一个挑战，需要对BJ切片缺陷进行深入探索才能解决。

图3 切片缺陷示意图

这种缺陷随着成型液滴尺寸的减小而减小，这是研究人员寻求打印更小的液滴的最重要原因之一。然而，对于现有的 BJ 打印系统，较小的墨滴意味着更高分辨率的打印头，这会导致打印头稳定性较差和更高的生产成本。因此，更高分辨率、更稳定的打印头构成了高精度BJ形成的基础。值得一提的是，可以改变单层打印信息实现局部墨量控制的灰度打印方式逐渐引起人们的关注。相邻打印位置之间的灰度差异可用于抑制粘合剂流动以控制局部有效饱和度。

 铺粉缺陷

粉末铺展过程中的缺陷在粉床类（Powder Bed Based，PBB） 打印方法中很常见。特别是，在BJ中，生坯的强度普遍弱于其他PBB打印方法。低强度表明生件对粉末铺展工艺参数的选择更加敏感。粉末密度几乎决定了BJ打印部件的密度。在获得高粉末密度的过程中避免粉末铺展缺陷是一个挑战。针对不同的打印材料，铺粉工艺参数是解决问题的关键。
铺粉效果的影响因素总结于表1中。粉末的粒径与其流动性和粉床的密度密切相关。选择合适的粒度分布是平衡铺粉效果和密度的关键。粉末铺展性能无疑是评价材料能否通过BJ工艺成型的重要指标，作为PBB打印方法，特别是低强度打印生坯的BJ。有效的粉末铺展工艺可以有效地发挥 BJ 粉末的全部潜力。粉末铺粉装置的当前状态似乎遇到了限制。探索对粉末表面进行修饰以增强粉末铺展的有效性可能是 PBB 打印未来的一个有前途的方向。

 单层打印缺陷

由于BJ分层成型的特点，铺粉后粘合剂的选择性沉积（单层打印工艺）是成型过程的基础。我们根据打印过程将单层打印过程分为三个部分：粘合剂喷射（第4.1节）、粘合剂与粉末床接触（第4.2节）和原位加热（第4.3节）。尽管一些研究人员对此过程的部分内容做出了出色的报告，关于缺陷的综合报道很少。单层打印缺陷在成型过程中难以识别；然而，它们对最终打印部件性能的影响不可忽视。系统地阐明这些缺陷的原因和影响至关重要，这对 BJ 具有重要意义。

图4 堵头缺陷

图5 粘结剂-粉末撞击缺陷图6 “Balling”缺陷

 多层打印缺陷

通过粘合剂沉积获得完整理想的打印图案后，值得注意的是，单层的完美并不意味着打印部件的完美。逐层累积的效果会导致打印件变得不可预测。在BJ打印过程中，缺陷的层层积累大多是由于工艺参数错误选择造成的。研究人员主要致力于克服这些缺陷。常见的多层累积缺陷包括“shearing”、“bleeding”和“weak binding”。我们之前在3.3节中讨论过“shearing” 。BJ打印零件的“bleeding”现象，如图7所示，最早由Harris提出；它是粘合剂在高度饱和状态下的宏观流动。它通常表现为打印部件底部过多的粉末结合。形成这种现象的原因在于粘合剂在重力驱动下沿着压力梯度运动。表面上的过度扩散称为“羽化”，这通常是由水平方向的毛细管力引起的。有学者认为，凡是超出设定打印面积的，统称为“bleeding”。为了清楚起见，渗色和羽化在本文中被称为“bleeding”。

图7 “Bleeding”缺陷

粘结剂的干燥和粉床内的毛细管压力是影响“bleeding”现象的两个主要因素。Crane研究了干燥条件对BJ打印的影响，发现随着粘合剂用量的增加，在加热条件下不会出现“bleeding”现象。这可能是由于层间粘合剂中溶剂的蒸发增强所致。然而，通过延长干燥时间来增加粘合剂的蒸发会缩短打印头的寿命。对于一些不含蒸发溶剂的粘结剂，原位固化可以有效提高粘结剂固化的有效饱和度。

 脱粉缺陷

作为打印生坯成型工艺的最后一步，脱粉几乎决定了生坯的表面粗糙度。目前，BJ脱粉过程仅靠人工操作。因此，操作人员的脱粉熟练程度直接关系到脱粉的质量。尽管脱粉限制了工件 BJ 成形的精度，但对脱粉的研究还很少。由于与脱粉相关的固有挑战，研究人员就打印部件的尺寸限制达成了共识，如表 2所示。最小尺寸限制随着打印部件复杂性的降低而增加。

 总结与展望

由于成型坯体内部超低粘结剂含量，与其他3D间接成型技术相比，BJ显示出巨大的发展潜力。在这篇综述中，我们对BJ成型过程中遇到的缺陷进行了总结和分类。具体来说，全面总结了缺陷产生的原因、它们如何影响打印部件的性能以及如何克服它们。此外，还从缺陷角度讨论了当前 BJ 成形方法发展的瓶颈。为BJ工业生产实际中缺陷的实时监控提供参考，促进BJ工业化的发展。有理由相信，这篇综述填补了BJ研究中相关缺陷的空白。主要结论如下：
(1) BJ成型过程中发现的缺陷可分为五类：切片缺陷、铺粉缺陷、单层打印缺陷、多层堆积缺陷和脱粉缺陷。它们与传统 3D 打印的区别已经凸显出来。数值公式和物理模型可以帮助读者阐明缺陷的起源和物理意义。这些缺陷的变化及其对打印部件的影响已在理论上得到了很好的解决。
(2) BJ成型工艺的核心在于粘合剂和粉末之间的基本渗透机制。因此，“bleeding”现象是当前BJ缺陷研究的首要焦点。“Bleeding”不限于特定类型的材料，而是几乎所有类型的材料都可能发生。克服此类缺陷的关键在于饱和度的研究，它决定了生坯精度和强度之间的平衡。
(3) 实际上，本文讨论的缺陷通常不会单独出现。工艺参数或材料选择不当也可能导致多种缺陷协同出现。此外，打印件的性能与这些缺陷的耦合相互作用密切相关。因此，在BJ打印中需要考虑多种缺陷的影响。

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传统的制造技术很难将陶瓷材料制造成复杂的形状，而增材制造可以用更少的工具并且更有效地使用原材料，将陶瓷材料制造成几乎任何几何形状。粘结剂喷射在众多增材制造工艺中具有独特的综合优势。首先，在粘结剂喷射中，悬空结构不需要明确的支撑结构；其次，粘结剂喷射很容易扩大规模。第三，排胶步骤很快；最后，在固结步骤中均匀地施加热量，避免了热冲击。

然而，3D打印和烧结部件的低密度限制了粘结剂喷射技术在陶瓷材料上的应用。通过在粘结剂中加入纳米粉末可以提高最终部件的密度。但纳米粉末在粘结剂中的装载量受到打印头和粘结剂的粘度的限制。同时大颗粒形成的骨架也会阻碍进一步致密化。

在增材制造期刊Additive Manufacturing 刊登的Ceramic binder jetting additive manufacturing: Effects of granulation on properties of feedstock powder and printed and sintered parts一文中，研究团队阐述了一种新兴的造粒法–喷雾冷冻干燥，提高打印和烧结部件的密度并改善其性能，使粘结剂喷射3D打印技术在陶瓷增材制造方面取得进展。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101542

 创新性和研究方法

传统的造粒方法主要包括研磨和喷雾干燥，这些先前的研究大多旨在通过颗粒化来设计最终部件的孔隙结构。

而该研究通过对喷雾冷冻干燥方法进行研究，发现其与通过研磨或喷雾干燥产生的颗粒具有不规则形状或凹陷结构不同。通过喷雾冷冻干燥产生的颗粒具有球形形状和均匀结构，可以改善原料粉末流动性、烧结性和可打印性，并有助于提高3D打印和烧结部件的密度。本研究首次将喷雾冷冻干燥技术引入到粘结剂喷射增材制造中，为造粒方法与粘结剂喷射增材制造的技术领域交叉做出贡献。

研究团队在选择好材料并制备原始粉末悬浮液后，首先通过喷雾冷冻干燥技术将悬浮液中的原始粉末颗粒化，然后分别获取原始粉末和造粒粉末与流动性和可打印性相关的指标。

1. 造粒法

含有原始粉末的悬浮液经过的喷雾冷冻步骤如图1所示。悬浮液以0.5升/小时的进料速度被泵送至雾化喷嘴。然后用压缩空气将悬浮液雾化成液滴（压力设定为0.2bar）。液滴被喷入液氮后被冻结。然后将这些冷冻液滴转移到冷冻干燥器中，在1.5mbar的压力下冻干12小时。为了获得适合3D打印的颗粒尺寸，使用筛分机将干燥的颗粒筛分到53-90μm的尺寸范围。

图1 喷雾冷冻过程的示意图

使用扫描电子显微镜对原始粉末和颗粒化粉末的形态和尺寸进行了表征。通过使用ImageJ分析SEM图像，获得了粒化粉末的粒度分布。

2. 流动性指标

在这项研究中，质量流速、体积流速、表观密度、振实密度、豪斯纳比率、卡尔指数和安息角被用来评估原始粉末和颗粒化粉末的流动性。

质量流速和体积流速由霍尔流量计按照ASTM B213-17标准测量。表观密度由霍尔流量计按照ASTM B212-17标准测量。振实密度由振实密度测试仪按照ASTM B527-15标准测量。豪斯纳比率和卡尔指数则通过表观密度和振实密度计算得到。还使用霍尔流量计测量了安息角。漏斗首先在孔口处被堵住，然后完全装满粉末。之后，让粉末流动，最终形成一个圆锥体。通过测量圆锥体底部的直径和圆锥体的高度计算安息角。所有的测量都重复了三次。

3. 可打印性指标

原始粉末和造粒粉末是用商业粘结剂喷射设备3D打印的。这台3D打印机配备了一个逆向旋转的辊子，将粉末从进料区扩散到构建平台上。一个减少构建量（RBV）的装置被用来减少打印所需的粉末量。

粉床密度是表征粉末打印性能的第一个指标。为了测量粉床密度，打印机将每种粉末铺开，形成厚度为10毫米的粉床。粉层厚度被选为大于颗粒尺寸，以确保没有颗粒被滚筒拖动。横移速度被选为最低速度，因为低速可以帮助提高粉床密度。输送器是指由进料区提供的粉末量与构建平台在每一层所能容纳的粉末量的比率。比值越大，意味着进料区提供的粉末越多。延展器的值被设定为1.4，因为在这种条件下，粉末足以覆盖整个粉床。撒粉后，对包围在RBV中的粉末进行称重，用卡尺测量粉床的深度。通过对粉床的长度和宽度的额外了解，得到了粉床密度。

打印和烧结样件的体积密度用于衡量打印能力。两种粉末分别打印和烧结五个尺寸为Ø6.35×12.7毫米的圆柱形样品。在35℃下固化3小时后，样品经历了排胶和烧结过程。排胶和烧结过程如图2所示。

图2 排胶和烧结概况

打印和烧结样品的体积是根据阿基米德原理确定的。采用煮沸法以确保水完全充满开放的孔隙：将样品在水中煮沸3小时并冷却到室温。煮沸处理后，通过将样品悬浮在水中来测量浸泡的样品的质量。然后，在将样品从水中取出并用湿的吸水布擦拭以去除表面上的任何液滴后，测量浸泡过的样品的质量。根据这些质量计算出样品的体积。再通过测量干燥样品的质量，确定打印和烧结样品的体积密度。此外计算打印和烧结样品的表观孔隙率和封闭孔隙率.

为了表征微观结构，3D打印和烧结的样品通过手动弯曲被折断。然后用溅射镀膜机将断裂表面镀上铂金，并用SEM进行表征。3D打印和烧结样品侧面的表面形貌用光学轮廓仪进行表征。

 通过对比分析进行验证

本文验证和解决问题主要采用对比法，通过对比分析从两种粉末中采集到的数据，分别对其流动性和可打印性进行判断，以评判造粒法对提高最终部件密度的帮助。

1. 流动性

图3显示了原始粉末和造粒粉末的安息角（RA）。原始粉末的安息角比造粒粉末大得多，这是由于颗粒之间的摩擦力较大，阻止了它们在锥体表面向下滑动，表明流动性较差。

图3 (a)原始粉末和(b)造粒粉末的安息角

通过表观密度（AD）、振实密度（TD）、体积/质量流速、豪斯纳比率（HR）和卡尔指数（CI）来评估原始粉末和造粒粉的流动性。原始粉末的质量和体积流速是无法测量的，因为它不能自由地流过霍尔流量计。其他流动性指标以原始粉末的数值为基线进行归一化，并绘制在图4中。

图4 原始粉末和造粒粉末的相对流动性指标值（表观密度AD、振实密度TD、豪斯纳比率HR、卡尔指数CI和静止角RA）

造粒粉末的表观密度比原始粉末高。这是因为纳米粉末的颗粒间内聚力相比于重力占主导地位。颗粒间的内聚力通常会导致严重的团聚。这些形状不规则的团聚物在自由沉降后会在粉末中留下大量大的团聚物间孔隙，从而导致表观密度降低。在振实后，原始粉末的密度变化比造粒粉末更明显，这表明原始粉末在自由沉降后的堆积较少。豪斯纳比和卡尔指数都评估了表观密度和振实密度之间的差异。豪斯纳比率或卡尔指数的数值越高，表明粉末在自由沉降后的堆积越少，因此流动性越低。

2. 可打印性

图5显示了撒布原始粉末和造粒粉末形成的粉床的表面。由原始粉末形成的粉床表面是粗糙的，有许多空隙。然而，由造粒粉末形成的粉床更光滑和均匀。颗粒状粉末的粉床质量优越，表明颗粒状粉末具有更好的可打印性，因此更适合于3D打印。

图5 (a)原始粉末和(b)造粒粉末的粉床表面质量

由两种粉末制成的3D打印和烧结样品显示在图6中。由于粉床质量差，用原始粉末打印的样品表面比较粗糙，裂纹较多。通过使用造粒粉末作为原料材料，表面光滑度和尺寸精度都得到了改善。

图6 从(a)原始粉末和(b)造粒粉末打印和烧结的样品

两种粉末的粉床密度（PBD）、打印和烧结的体积密度（PrtSBD）、打印和烧结的表观孔隙率（PrtSAP）以及打印和烧结的封闭孔隙率（PrtSCP）见图7。造粒粉末的粉床密度是原始粉末的两倍以上。这可能与造粒粉末的流动性较高有关。造粒粉末获得的3D打印和烧结体积密度比原始粉末高50％以上。这是由于造粒粉末比原始纳米粉末达到的粉床密度更高。来自原始粉末的样品具有较高的表观孔隙率，可能是因为粉末床充满了空隙，在烧结后形成相互连接的孔隙。来自造粒粉末的样品具有较高的封闭孔隙率，这可能是由于喷雾冷冻干燥的颗粒具有多孔结构，由升华的水留下的粒内孔可能与外界隔离，可能在烧结后演变成封闭孔。

图7 原始粉末和造粒粉末的可打印性指标值

从图7中可以看到的另一个现象是，两种粉末的粉床密度都接近于其表观密度，而小于其振实密度。表观密度和振实密度通常被用作粉床密度的下限和上限。粉床密度接近表观密度的事实意味着辊筒提供的力非常有限，不足以压实粉末。

尽管由于较高的流动性，造粒粉末表现出较高的3D打印和烧结密度，但密度仍有很大的改进空间。造粒粉末实现的粉床密度很低，原因是颗粒内和颗粒间的孔隙都存在。

图8和图9分别显示了原始粉末和造粒粉末的3D打印和烧结样品的显微结构。如图8a和9a所示，在烧结前，原始粉末中的颗粒是随机堆积的，有大的孔隙相互连接，而造粒粉末中的颗粒则有规律地堆积。这就是来自造粒粉末的样品的打印和烧结体积密度较高的原因。比较图8b和9c中的高倍放大图像，造粒粉末的微观结构与原始粉末的微观结构相似。密集的微观结构是由于纳米粉末的优良烧结性。

图8 原始粉末打印和烧结样品的微观结构

图9 造粒粉末打印和烧结样品的微观结构

来自两种粉末的3D打印和烧结样品的表面形貌显示在图10中。原始粉末样品的表面高度变化比造粒粉末样品大得多。原始粉末样品也比造粒粉末的样品有更大的孔隙。

图10 (a)原始粉末和(b)造粒粉末的打印和烧结样品的表面形貌

 总结

由于具有高可烧结性，纳米粉体材料在陶瓷粘结剂喷射增材制造技术中，具有实现高密度3D打印胚体和最终烧结件的优势。但由于颗粒间粘结力大，流动性差，阻碍了纳米粉体材料在陶瓷粘结剂喷射增材制造中的应用。该研究通过喷雾冷冻干燥将氧化铝纳米颗粒造粒成微米级颗粒，以改善纳米粉体的流动性。研究团队通过表征原料纳米粉体和造粒粉体的流动性和可打印性，对两者进行了比较。结果表明，造粒粉体比原始纳米粉体具有更好的流动性。由于优越的流动性，造粒粉末形成了比原始纳米粉体更致密、更光滑的粉床，从而获得更致密、更光滑的3D打印和烧结样件。这些改善表明，通过造粒法提高了纳米粉体的可打印性。

以上论文解读来自：自动化建造

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粘结剂喷射增材制造-3D打印工艺（BJAM）具有以相对较低的成本和较高的产量制造净形状复杂部件的优势。为了确保成功过渡到规模化生产和最终用途应用，为粘结剂喷射增材制造开发低成本高性能材料系统至关重要。

低合金钢由于良好的强度，延展性，硬度和耐磨性，是一种可行的选择。水雾化（WA）法粉末与气雾化（GA）法粉末相比成本低廉，通常用作传统的粉末冶金（PM）的原料，但由于其形状不规则，具有残余氧化物，对于粘结剂喷射增材制造而言，需要更精细的工艺参数优化，以解决流动性降低以及粉体铺展和粉床分层压实的难题。

研究表明，通过超固相液相烧结(SLPS)具有进一步提高粘结剂喷射增材制造零件，工具钢或形状记忆合金的烧结密度的潜力，但对于粘结剂喷射增材制造 WA钢粉末而言，其SLPS行为的研究较少且可能相对复杂，因为氧化膜的存在可能会显著影响SLPS 过程中致密化所需的润湿和铺展特性。

来自滑铁卢大学机械与机电工程系的Mihaela Vlasea团队采用水雾化（WA）低合金钢粉末，通过粘结剂喷射3D打印后在不同的等温阶段和不同的加热速率下烧结，以确定其致密化方式，分析研究了粘结剂渣和氧化物渣对合金致密化行为的影响。相关论文以题为“Supersolidus liquid phase sintering of water-atomized low-alloy steel in binder jetting additive manufacturing”发表在Heliyon上。

 研究要点

1、在低于T solidus （图3）的温度下烧结可获得的最高密度为85.2%，随着使用SLPS的相对密度进一步增加到85%以上（图4）。孔去除（图5和图6）和随后的晶粒生长（图7）成为主要的致密化机制。

图1 两种应用烧结方案的示意图，在 5% H2–95% N2 下进行脱脂和烧结：(a) 直接烧结方案，和 (b) 分步烧结方案。

图2 (a) 该研究中使用的WA粉末的粉末粒度分布 (PSD)和 (b)扫描电子显微镜(SEM)显微照片的累积体积百分位数结果。

图3 生坯部分和原样粉末的 DSC 曲线。

图4 从不同等温阶段以 5 ℃/min、3 ℃/min 和 1 ℃/min 加热速率烧结后样品的相对密度、形状损失和线性收缩百分比。

图5 由直接烧结方案烧结的样品（a）D2 – 68.1%密度、（b）D4 – 83.4%密度和（c）D 7 – 96.8%密度，以及由分步烧结方案烧结的样品（d）S1 – 90.3%密度、（e）S3 – 91.9%密度和（f）S8 – 97.1%密度的光学显微照片。

图6（a）样品D2和（b）样品S7的光学显微照片。孔隙显示为黑色/深色区域。

图7 平均粒度与相对密度。

2、实现更高密度和最小变形的最佳烧结条件包括较慢的加热速率（≤3℃/min）（高加热速率结果见图4 D2样品和图12 低致密度原因）和/或在升温至 SLPS 区域之前等温保持在 Tsolidus 以下（图4）。在这些条件下，更多的氧化物（图8和图9）可以被粘合剂分解产生的碳残留物（图10）和烧结气氛中的H2还原（图11），从而形成由均匀分布的孔隙组成的宏观结构，这些孔隙在液体形成之前具有较小的尺寸。改进的孔隙形态使部件能够在更高的温度下进一步致密化（图5和图6）。

图8 二次电子 (SE)- (a) 原样粉末和 (b) 绿色粉末表面的SEM显微照片。在两种粉末的表面上均可见具有球形形状的纳米尺寸氧化物颗粒（30 nm）。

图9 氧含量（重量%）在不同状态下的粉末和BJAM部件中，氧含量从生坯到烧结过程中逐渐降低。

图10 (a)在1000℃—0小时下预烧结的部件的颗粒间连接的SE-SEM显微照片;（b）颗粒界面处的颗粒特征的EDX光谱。EDX光谱显示，除了氧含量之外，与周围区域相比，团聚体富含碳。这被认为是由粘合剂分解产生的碳残留物。

图11（a）原始粉末和生坯部分的TGA曲线;（b） 区域 3 中原始粉末和生坯部分的质量损失百分比。生坯部分的快速失重从300到560°C对应于粘合剂的分解在这个狭窄的温度范围内，生坯部分对氧化不太敏感，更容易发生某些还原反应。在区域3中，生坯部分的重量损失（0.154%）远高于收到粉末的重量损失（0.086%）。可以推断，在BJAM过程中，可能引入了额外的还原剂，提高了高温下的还原电位。

图12 (a)以5 ℃/min从1432 ℃至2 h的直接烧结样品（D2）的背散射电子（BSE）- SEM显微照片，以及通过EDX收集的（b）Fe、（c）0、（d）Mo和（e）Mn的相应元素图。颗粒间颈部区域处发现氧化物，氧化物可充当扩散阻挡层而延迟了致密化。在氧化物层上还发现了一些裂纹，这可以归因于由于液相的存在而导致氧化物膜变薄，这导致氧溶解在液体中以与高氧亲和力元素重新结合。

图13 残碳量、升温速率和分步烧结对BJAM WA钢致密化行为的影响

3、从低致密度（42%）生坯到高达97.1%的致密化的烧结样品对应在z轴上为25%和在x/y轴上为23%的线性收缩（图4）。然而，由于使用优化的烧结条件改善的孔形态，这种大幅度的收缩对本研究中使用的几何形状的部件的几何精度具有可忽略的影响。

 总结

该研究考察了采用粘结剂喷射增材制造工艺制备的WA低合金钢在超固相液相烧结(SLPS)下的相对密度为97.1%且形状损失最小的能力。成功地解决了粘结剂喷射增材制造和 WA 低合金钢粉末在本工作中无法生产高密度零件的问题。这对于未来研究更大尺寸、更复杂几何形状的粘结剂喷射增材制造工艺WA低合金钢零件具有重要意义。

文章来源：医用金属与增材制造前沿
Mingzhang Yang, MohsenK. Keshavarz, Mihaela Vlasea Amin Molavi-Kakhki Martin Laher. Supersolidus liquid phase sintering of water-atomized low-alloy steel in binder jetting additive manufacturing[J]. Heliyon, 9 (2023) e13882.

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405844023010897#bbib17

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随着对3D打印技术带来的变革意义的加深理解，约翰迪尔对3D打印技术的采用正在加快，目前超过4,000个阀体由GKN-吉凯恩3D打印制造出来运至约翰迪尔拖拉机工厂，令人兴奋的亮点是每零件的成本低于锻造与铣削的传统加工方式，这是3D打印技术有史以来与传统制造技术在加工效率、加工成本方面的突破。

约翰迪尔与3D打印
© 约翰迪尔

 冰山一角

约翰迪尔的新型 6R 系列拖拉机采用 3D 打印燃油阀，这是该公司的首创：金属 3D 打印发动机部件。拖拉机燃油系统中的 3D 打印不锈钢阀门是一个新方向，也是约翰迪尔的智能工业战略的一部分。

约翰迪尔与3D打印
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约翰迪尔于 2020 年宣布了其在三个重点领域快速集成新技术的愿景：生产系统、技术堆栈和生命周期解决方案。

3D 打印是这一愿景的一部分，而这个阀门是其首批成果之一。它比传统制造的效率更高。便宜了大约 50%，而且体积明显更小，使用的材料也更少。但这只是 John Deere 选择通过3D打印该部件的原因的冰山一角。

面向生产制造用途的粘结剂喷射金属3D打印
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 成就来自内在与外在

关于粘结剂喷射3D打印技术用于不锈钢的制造，根据3D科学谷《深度透视金属粘结剂喷射金属3D打印材料与应用发展》一文，在南洋理工的实验研究中，BJ-粘结剂喷射制造的合金塑性变形的早期阶段普遍存在的平面滑移，以及其他微结构因素的结合，导致在准静态和循环载荷下阻止了在孔角处成核的小裂纹；结果，延展性和疲劳强度都不会受到BJ粘结剂喷射3D打印合金中孔隙率的不利影响。在另外一种增材制造技术L-PBF选区激光熔融金属3D打印合金中，蜂窝结构大大提高了屈服强度，柱状晶粒太细，取向差不够大、晶粒也不够粗大从而不足以止裂。

最新版本的 John Deere 6R和 6M 拖拉机上的新型热分流阀不仅是日益普及的金属3D打印技术的创新应用，还是大约两年研发的结晶。3D科学谷了解到这始于一项挑战，即确保约翰迪尔拖拉机能够在寒冷的环境中正常工作。 工程师们的任务是开发一种能够在不影响发动机性能的情况下保持燃油温度的阀门。

通过优化计算流体动力学在虚拟世界中对其进行新设计的阀门进行模拟，理想化的原型模型，即让燃料以最高效率流动的模型，具有圆形、光滑的内部通道。只有通过3D打印才能创建功能。

液压歧管、阀体的3D打印优势

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在流体动力学中，当有两个相交的钻孔时，如果使用机加工方式，总会遇到尖角。通过 3D 打印，可以制作圆角，这让在阀门优化方面又迈进了一步。

为了测试零件是否能按预期工作，约翰迪尔的工程师与GKN-吉凯恩的增材制造人员合作，进一步优化金属 3D 打印燃料阀的设计。GKN通过惠普的Metal Jet S100新型金属3D打印机上打印钢制阀门。

 刷新认知的进展

根据3D科学谷的了解，不仅仅是阀门，惠普与GKN还合作为施耐德电气 NSX 断路器生产了全新过滤器，此类过滤器形状复杂，远超其他形式的工业制造能力范围。HP Metal Jet 技术不仅改进了新型电源过滤器的形状设计，可在更有限的空间内减少了气体、压力和热对过滤器的影响，显著提高了生产力和环境效益。

粘结剂喷射金属3D打印技术将成为驱动3D打印行业发展的主流技术，根据3D科学谷全球市场研究合作伙伴AMPOWER，Binder Jetting 粘结剂喷射金属3D打印技术在技术成熟度方面取得了重大飞跃，例如通过更多可用材料，进入发展快车道。根据3D科学谷全球市场研究合作伙伴CONTEXT，随着金属3D打印技术类别中的粘结剂喷射金属3D打印技术走向成熟，该技术在汽车等交通工具应用领域的零件制造方面将渐入佳境。

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正如3D科学谷《为大规模制造而生，粘结剂喷射金属3D打印设备技术一览》一文中提到的，粘结剂喷射金属3D打印技术，从生产效率、经济性的角度看充分的满足了面向量产的应用。高速、低成本，粘结剂喷射金属3D打印获得了业界的高度关注。粘结剂喷射金属3D打印技术的发展正在以不可思议的方式改变业界对这项技术先入为主的认知。

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管理和补偿烧结阶段发生的大量收缩是Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术面临的最大挑战之一。零件在炉内收缩30-40％，线性收缩15-20％。如果零件很小并且壁厚均匀，那么收缩是可以预测的。然而，不同厚度的大型零部件的烧结过程会对几何形状产生非常复杂的问题。根据3D科学谷的市场研究，烧结收缩目前严重限制了Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术适用的几何形状和应用类型。

根据3D科学谷的《深潜 l 粘结剂喷射金属3D打印技术的后处理挑战》一文，Meta Additive的非牺牲性粘结剂解决方案使得烧结收缩从20%降到了2%，不仅消除了脱脂步骤的需要，而且还降低了后处理阶段所需的热量水平。在正常打印后，做300℃的热处理即可，热处理是为了巩固和优化一些微结构。

随着粘结剂的开发以及对Binder Jetting(BJ)粘结剂喷射金属3D打印技术的理解加深，可以带来更加环保、更高合金强度的研究正在进行时。本期谷专栏，3D科学谷与谷友共同来领略发表在Nature Communications上的“A general fruit acid chelation route for eco-friendly and ambient 3D printing of metals”关于对强度更高的金属进行精细的粘结剂喷射金属3D打印的解决方案。

粘结剂喷射3D打印材料系列

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更环保、更强的零件

研究人员展示了一种适用于金属粘结剂喷射 3D 打印的水基固相粘结剂。常见果酸螯合剂的钠盐在金属颗粒之间形成稳定的金属螯合物桥，从而能够对强度更高的金属进行精细的 3D 打印。通过后处理甚至可以进一步降低金属颗粒之间的孔隙率。

 粘结剂的挑战

根据百度百科，金属螯合剂（metal chelating agent）可以通过螯合剂分子与金属离子的强结合作用，将金属离子包合到螯合剂内部，变成稳定的，分子量更大的化合物，从而阻止金属离子起作用，可以用于解毒，印染，阻垢等方面。

对于制造业来说，效率与成本的确是至关重要的，从效率和成本的角度看，粘结剂喷射金属 3D 打印 (BJ) 是一种很有前途的增材制造技术，可以选择性地将液体粘结剂喷射到金属粉末上，从而在颗粒之间形成粘合，BJ是使得3D打印与生产线的结合成为可期的技术 。不过目前 BJ 商业应用技术的挑战仍然涉及克服金属增材制造工艺的苛刻条件，包括材料处理、后处理和质量控制。

根据3D科学谷，3D打印机与生产线的结合将迎来一个新时代：有一天，会出现雨后春笋般的小型工厂，这些小型工厂像社区一样更靠近消费者，工厂的运转通过软件管理，可以按需打印零件，而无需起订量的要求。 这个新时代的新意不仅在于制造方式与商业模式的变化，更重要的是可以设计出比过去更轻、更便宜和更高效的零件。

当前BJ与生产线实现结合所需要探索的重要方面之一是理解包括粘结剂材料在内的环保成分。两种最常用的危险粘结剂，2-丁氧基乙醇基溶液和 2-吡咯烷酮基溶液，已被特别认为并不环保。此外，最近开发的由甲酸铜和辛胺组成的金属有机分散油墨也被发现具有不利的环境影响。在陶瓷的BJ粘结剂喷射3D打印领域，尤其是生物医学应用领域，已经有各种关于使用无害粘结剂材料的研究，例如绿色溶剂可溶性聚合物、麦芽糊精、糖和玉米淀粉。

环保型的粘结剂喷射3D打印

© Nature Communication

然而，到目前为止，只有少数金属 BJ粘结剂喷射的粘结剂材料被探索，因此要实现金属零件的BJ粘结剂喷射3D打印技术走向生产线的普及，必须拓宽技术视野，通过开发新的绿色金属粘结剂，既环保又无害，同时实现3D打印零件所需的性能。

 环保粘结剂推动产业化发展

在这里，研究人员开发了新的粘结剂，是基于使用由天然果酸盐组成的螯合剂作为环保粘结剂。通过将水喷墨到由金属颗粒和螯合剂的均匀混合物组成的粉末上，成功地形成了金属颗粒之间的金属螯合物桥。

然后，对金属 3D打印物体进行压缩测试，以确认其机械强度对螯合剂类型的依赖性。随后，通过后处理以及优化粒度和组成的分布，进一步提高了机械强度。实验结果表明螯合剂辅助 BJ 粘结剂喷射3D打印技术不仅可用于实现复杂的结构，而且适用于广泛的金属粉末。

金属颗粒之间金属螯合物桥的形成

© Nature Communication

研究人员在材料开发过程中发现基于 NaCit 的 3D 打印物体的机械性能优于其他螯合剂，添加 NaCl 以从 Al 铝合金颗粒中的固有缺陷中释放更多金属离子并增加3D打印物的结合强度。在添加 NaCl 后，氯离子攻击 Al 铝合金缺陷形成 Al 离子，这反过来又促进了水环境中金属颗粒表面的螯合。金属螯合物桥密度的增加使得压缩模量增加到 68.36 MPa；与未用 NaCl 添加剂处理的 3D 打印产品相比，这增加了 1.7 倍，通过后处理和优化可以很好地获得机械强度的进一步增强粒度和组成的分布。

添加 NaCl 增加3D打印物的结合强度

© Nature Communication

 确保高打印质量

研究人员发现对于 BJ 的工业应用，应考虑各个方面，包括渗色效应、阶梯效应、液粉吸入效应，以及敏感的工艺参数，如粉末粒度分布、粉末层稠度和干燥过程中的层位移等。这些方面决定了粘结剂喷射3D打印结果的分辨率和机械强度。

3D科学谷了解到研究人员解决了渗色问题——粘结剂溶液由于毛细作用力从3D打印物体中流出的现象——已得到解决，以确保高打印质量。在初始3D打印过程和后处理过程中使用水作为喷射流体可以部分缓解这个问题：水比传统粘结剂溶液具有更高的蒸汽压，因此它蒸发得更快，因此减少了解决方案从规定的结构中流出，特别是在研究中使用的升高的3D打印温度下。然后加湿的后处理步骤确保金属颗粒之间的残余螯合反应完成。

后处理工艺

© Nature Communication

另一方面，为了进一步提高 BJ粘结剂3D打印产品的机械强度，3D科学谷了解到研究人员优化了粉末尺寸和成分的分布。关于克服 BJ 物体的低固有孔隙率（一般为 30-60%）和降低微观空隙率，研究人员使用了基于 10 和 75μm 金属颗粒的双峰粉末分布。通过用细颗粒填充间隙空隙来填充金属粉末，从而使得空隙体积比显着降低（生坯和烧结体分别为 1.55 和 0.30%）。

结果是3D打印的零件生坯的机械强度和压缩模量显着提高，分别达到6.06 MPa和218.43 MPa。在完成3D打印生坯的热脱脂和烧结过程后，该值可以进一步提高到 29.59 MPa 和 1.49 GPa。这些结果确实比之前关于绿色溶剂可溶性粘结剂的报告中获得的值要好得多，甚至可以与其他基于高功率激光3D打印的铝合金产品相媲美。

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根据ACAM亚琛增材制造中心在2021年formnext深圳展会上关于《增材制造技术“深潜”-前沿发展趋势》的分享，3D打印-增材制造的发展趋势朝向多维度的深化层面，面向量产应用，3D打印突破当前应用对经济性要求的限制，向应用端深度延伸走向产业化的一条发展路径是实现结构更加复杂的产品。

金属3D打印领域，以Binder Jetting-粘结剂喷射金属3D打印技术为代表的间接金属3D打印以高速，低成本获得了业界的高度关注。粘结剂喷射金属3D打印技术，从生产效率、经济性的角度看充分的满足了面向量产的应用，那么粘结剂喷射金属3D打印技术在实现结构更加复杂的产品方面又面临什么样的挑战呢？

本期谷.专栏将从影响零件质量的后处理环节中的脱脂、烧结工艺进行深入剖析，以提供更好的驾驭粘结剂喷射制造工艺的整体思路。

粘结剂喷射金属3D打印技术

熟悉Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术的业界人士不难发现，传统金属注射成型工艺MIM制造的硬质工件流程中的脱脂，烧结过程与粘结剂喷射金属3D打印技术所需要的后处理过程是一致的。

粘结剂喷射金属3D打印技术的当前应用着陆点© 3D科学谷

Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术的后处理有三个目标：

• 从粉末床中提取“生坯”零部件并对其进行脱粉，而不损坏零件本身。
• 脱脂并烧结零部件将其缩小到可接受的密度和几何精度。
• 精加工零件到要求的精度。

 脱脂

生坯由金属粉末和粘结剂组成，脱脂主要去除第一阶段粘结剂的过程，仅通过最少量的第二阶段粘接剂保持在一起，该粘结剂将在烧结过程中同时去除。因此，脱脂后的生坯零部件非常脆弱。

具有高粘结剂量的生坯部件，可以在脱脂前通过研磨或铣削进行加工，以达到所需的表面特性。还可以去除仅用于打印而不需要烧结的支撑结构。目前，从 MIM 行业演化的三种脱脂类型如下：

• 溶剂脱脂
• 热脱脂
• 热催化脱脂

对于溶剂脱脂，将零件放入装有可溶解粘结剂的溶剂的罐中。根据3D科学谷的了解，这种变体只需要简单的设备并且相对便宜。然而，危险液体的处理会导致安全问题，脱脂过程需要 24-48 小时才能有效去除可萃取溶剂。

热脱脂过程基于粘结剂体系的热分解。可以在用于烧结过程的同一炉或低成本的预处理炉中进行。然而，该过程耗时且仅适用于粘结剂饱和度低的生坯。因此，大多数 Binder Jetting 零部件都是通过热脱脂来脱脂的。然而，由于带入炉内的有机材料量增加，设备维护增加。

对于热催化脱脂，将部件置于气态酸环境中并加热至约 120 °C。该过程运行速度快，但相对昂贵，并且需要处理气态酸的基础设施。

去粘结是一个缓慢的过程，因为粘结剂必须通过微小的多孔材料结构蒸发。如果施加太多的热量和能量，则金属颗粒基质受到干扰，导致最终部件质量受到不利影响。粘结剂以约1厘米/小时的速度从外表面移除，因此较厚的部分可能需要数天才能解除粘结。

去除粘结剂后，零件处于非常脆弱的状态，包含最少量的二次粘结剂，因此在处理时非常脆弱。

exone粘结剂喷射技术制造的自行车结构件© 3D科学谷

 烧结

为了达到金属部件的结构完整性，需要进行烧结工艺。

当使用需要额外处理的支撑/定位器材料的时候，常规的支撑/定位器策略和技术会导致零部件加工的失败，例如支撑/定位器结构发生变形或收缩的时候会影响到零部件的结构，这时候就需要十分匹配的策略使得支撑/定位器结构不仅仅能起到加工过程中的支撑作用，还在随后的后处理中不影响零件的精度。

根据3D科学谷的市场研究，Desktop Metal与2018年申请了可分离支撑/定位器技术专利，专利中提到了一种在零部件和支撑/定位器结构之间制造界面层，以便在烧结期间抑制支撑结构和相邻的零部件表面之间的结合。

支撑/定位器由陶瓷材料单独制造，定位器的生产成本更高，更耗时，但它们可重复使用，因此可以节省大批量生产的时间和材料成本。必须仔细设计支撑/定位器，以在烧结过程中支撑零件，以补偿零件收缩和热应力转移。

零件在接近熔化温度但低于熔化温度的炉子中加热。该过程分为三个阶段，其中一个阶段被定义为粉末颗粒和孔隙几何变化的区间。在初始烧结阶段 ，粉末颗粒仅通过范德华力结合。当达到烧结温度时，颗粒的结合之间会形成颈部。在此期间，热脱脂过程的保持时间被设定为次级粘结剂的相应分解温度。

烧结第二阶段中间阶段的特征是通过相邻粒子的合并来增加粒子的堆积密度。在这个阶段，产生了孤立的孔隙结构。

在烧结的第三阶段 ，孔径进一步减小，直至孔隙几乎完全消除。在烧结过程中会发生相对较大的体积收缩。基本上在每个方向上收缩 16% 到 21%。由于重力、材料的压缩，收缩是各向异性的并且在 z 方向上比在 xy 方向上大（重力因素影响）。

在炉子中，零部件的较薄部分将比较厚的部分加热和烧结得更快，这些部分将应力引入厚度变化的零部件中。此外，零部件烧结后的冷却进一步放大了这种效果。这些热梯度和应力会使部件翘曲和损坏，并可能产生影响材料特性的非均匀晶粒结构。

管理和补偿烧结阶段发生的大量收缩是Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术面临的最大挑战之一。零件在炉内收缩30-40％，线性收缩15-20％。如果零件很小并且壁厚均匀，那么收缩是可以预测的。然而，不同厚度的大型零部件的烧结过程会对几何形状产生非常复杂的问题。根据3D科学谷的市场研究，烧结收缩目前严重限制了Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术适用的几何形状和应用类型。

收缩率还可能受到其他参数的影响，例如：

• 底板和零件之间的摩擦

• 重力

• 弯曲不受支持的功能

• 粉末污染

• 粒径

• 打印过程中的翘曲

• 壁厚度

在收缩过程中，零件的底面在烧结底板上滑动。虽然零件的其余部分可以自由收缩，但摩擦阻碍了均匀收缩。这会导致零件变形。

摩擦效应可以通过烧结底板或活动垫板来减少，它们的收缩方式与零件相同，因为它们由相同的材料制成。

由于烧结过程中发生的零件收缩，需要通过补偿以解决失真。正在开发的软件工具可以更好地模拟和预测补偿方案，然后相应地调整零件几何形状。然而这不是一个简单的解决方案，有时候只对特定的几何形状有意义。

根据3D科学谷的市场观察，拿Desktop Metal举例，实时仿真方面Desktop Metal与多物理场模拟软件开发商ANSYS合作紧密。ANSYS的Discovery Live平台允许对CAD模型进行更改，以显示流体或空气流量如何实时受到影响，并且任何人都可以使用，而不仅仅是专家。Discovery Live可以让工程师立即检查其设计变更的影响，这个平台支持流体、结构和热模拟应用。这使得设计师可以通过交互的方式探索简单和复杂变化的影响，迭代变得更加快速便捷。

烧结过程中，零部件在支架上通过支撑/定位器来固定，并放置在具有惰性气氛的炉子中。首先进行脱粘循环，烧掉粘结剂的聚合物组分，温度通常在200-600℃范围内。必须从部件中完全除去所有粘结剂，否则粘结剂中的残余碳将对烧结过程产生负面影响并损害最终零部件性能。

不过这一切或许在发生改变，根据3D科学谷的市场观察，Desktop Metal收购了Meta Additive，Meta Additive的非牺牲性粘结剂解决方案使得烧结收缩从20%降到了2%，不仅消除了脱脂步骤的需要，而且还降低了后处理阶段所需的热量水平。在正常打印后，做300℃的热处理即可，热处理是为了巩固和优化一些微结构。

据悉Meta Additive的粘结剂在使用过程中，主要是化学反应，而不仅是物理反应。这是在基于70年代就发明的原子层沉积 (ALD)与化学气相沉积 (CVD)的科技树和相关产业成果基础上，进行的化学技术的研发。这种由分子成分、纳米成分和微成分组成的粘结剂，纳米颗粒填充在粉末间隙来实现颗粒间结合和渗透，相当于在3D打印过程中将粘结剂均匀无孔地沉积在金属粉末床颗粒的空隙之间。

l 温度

烧结的过程对于最终产品的质量起到了关键的作用，零部件需要特定的时间来压实并达到最终的密度和机械性能。温度曲线的设定必须根据零件的材料和几何形状进行调整。因此，烧结工艺参数取决于材料等多种因素，不能一概而论。

l 气体

在烧结过程中，需要特定气体用于防止材料氧化，防止含碳材料脱碳或降低不锈钢的碳含量。因此，必须根据使用的材料调整气体。

通常在烧结时需要高真空或氩气气氛，例如钛合金，而不锈钢如 316L 需要接近大气的高纯度氢气环境以防止脱碳。

氢气气氛用于减少粘结剂系统中的碳并防止其扩散到金属中。因此，在烧结不锈钢时，H2 对控制和最小化 C 含量至关重要。

另一个相关因素是脱脂和烧结炉内使用的气体流量。为获得最佳结果，建议在零件周围采用均匀的气流和局部压力，以获得均匀的温度分布和一致的脱脂。

l 粉末

几种粉末特性会影响脱脂和烧结过程。这包括颗粒的大小、成分和粉末密度。每种粉末特征对脱脂和烧结过程都有不同的影响。

特别是脱脂过程受粉末粒径的影响，脱脂的保持时间会随着金属颗粒尺寸的减小而急剧增加。这是由于粉末较小的孔隙率导致分解的气室特征所带来的影响。

不仅粉末的特性很重要，还应研究脱脂性能以正确设计工艺。

粉末的粒度和分布差异会导致需要在不同的时间长度和温度下烧结，并影响零件的性能。由于较高的比表面积，较小的颗粒尺寸支持在较低温度和停留时间下烧结。

不充分的烧结也可能是由粉末化学引起的。内含物、添加剂和氧化会导致金属部件烧结无效。污染还会影响零件在烧结过程中的行为，并可能导致不可预测的收缩。

l 生坯特性

脱脂后，生坯部件由于缺少第一级粘结剂而非常脆弱。这些零件现在不能进行机械处理，必须放在托盘上。

Binder Jetting 生坯部件的高度脆弱性限制了可以实现的细节水平。在开箱或搬运过程中，薄壁、销钉或锋利的边缘可能会破裂。尽管如此，BJT 零件的分辨率是高的。

 影响成本的因素

除了体积和尺寸外，粘结剂喷射的单件成本还受设计等几个不同因素的影响。

每个零件的成本主要取决于每个零件的体积，随着材料量的增加，零件成本也线性增加。高材料成本和恒定的构建速率会影响相对恒定的每立方厘米成本。虽然烧结工艺成本主要取决于零件的整体尺寸和随后的炉子利用率，但脱脂主要受零件厚度的影响。

可以通过增加一项构建作业中的零件数量来降低每个零件的成本。如果生坯零件的拆包通过手工作业完成，那么设计最好是针对拆包进行了优化，则可以节省昂贵的人工时间，甚至可以实现自动化解决方案。

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据悉，这是一种先进的大型铸造砂模3D打印机，被称为ACC 3D打印机（Advance Casting Cell-ACC 3D Printer）。这一设备的研发将得到德国联邦经济事务和能源部的财政支持，它将能够打印单个重量超过60公吨的砂模，为GE Haliade-X的机舱[1]提供铸件，并将砂模的生产时间从10周以上减少到仅需2周。此外，由于不再需要将大型部件从一个集中制造点运输到应用地点，这一3D打印机预计减少产品的碳足迹。

合作伙伴们预计将在2021年第三季度启动该项目，并在2022年第一季度开始进行初始打印机试验。

图1 – 粘结剂喷射的原理，在一个成型平台上先铺设一层粉末，随后打印头将粘结剂有选择性的喷射到所要打印的零件上。然后再铺设一层粉末，不断重复上述过程直到打印出最终的零件或模具。

大幅减少全套模具组件数量

该项目涉及开发一款全新的大幅面3D打印机，能够生产砂模用于铸造构成海上风力发电机舱的不同形状和尺寸的高度复杂金属部件。基于voxeljet-维捷公司核心的 “粘结剂喷射 “技术模块化3D打印工艺，将能打印直径为9.5米、重达60吨多的铸造用砂模。

图2 – ACC打印机将被设计用来打印风力发电机关键零部件的模具，最大直径为9.5米，重量为30至60吨。

通用电气可再生能源公司的高级增材设计工程师Juan Pablo Cilia说：”3D打印模具将带来许多好处，提高铸件质量，包括改善铸件表面光洁度、提高零件精度和一致性。此外，由于优化的设计，砂型粘结剂喷射模型或增材模型可通过减少加工时间和其他材料成本来节约成本。这种前所未有的生产技术将改变生产效率，允许在高成本国家进行本地化生产，这对于希望最大限度地发挥海上风电进而带来地方经济发展效益的客户来说是一个关键的好处。”

弗劳恩霍夫铸造、复合材料和加工技术研究所IGCV负责铸造和材料技术问题，以及工艺过程数字化监控。”我们正在密切关注铸造过程中的热管理，我们将评估打印材料的理想比例，”弗劳恩霍夫 IGCV 的成型工艺和成型材料部门主管 Daniel Günther 博士说。“此外，作为项目的一部分，我们还将开发和测试新的工艺监测方法”。根据以往的经验，该团队预计Haliade-X型风力发电机生产过程中的环境足迹将大大改善。可持续性是弗劳恩霍夫研究所工作的一个坚定的指导原则。该研究所所长Wolfram Volk教授/博士补充说：”我们的目标是优化模具打印，以避免成本极高的误打印甚至误浇铸，节省粘合剂和固化剂，并改善铸造过程中的机械和热行为。通过开发一种尽可能节约资源的工艺，我们希望帮助改善风力发电机制造中的环境平衡和成本平衡。”

voxeljet-维捷市场和销售总监Christian Traeger说：”2019年我们为通用电气打印的测试模具由几十个单独的零件组成。有了ACC打印机，我们将致力于大幅减少全套模具的零件数量。除此之外，模具还可以在功能和材料消耗方面进行优化。这种优化使得全新的铸造设计成为可能，可以进一步提高风力发电机的效率”。

“虽然场外按需3D打印服务为小批量铸件制造提供了许多好处，但在现场运行3D打印设备可以最大限度地利用该技术的潜能。鉴于海上风力发电机的持续增长的市场，这将对按时完成项目进度和满足需求有很大帮助，”voxeljet-维捷首席执行官Ingo Ederer博士补充说。”凭借富有成效的粘结剂喷射技术并结合在大幅面工业3D打印方面的经验，我们为铸造行业客户提供服务已逾20年。将3D打印带入真正的工业制造领域是我们的使命，因此我们非常高兴能成为这个开创性项目的成员。”

国际能源署预计，由于成本下降、政府的支持政策和诸如GE Haliade-X海上风力发电机项目的技术进步，到2040年，全球海上风能容量将提高15倍，成为一个1万亿美元的产业[2]。GE可再生能源公司已中标欧洲和美国5.7GW的项目，为其提供Haliade-X风力发电机。该公司是海上风能工业委员会（OWIC）的成员，作为该委员会的一部分，该委员会支持旨在提高可持续风能生产的各种举措。

[1] 机舱是风力发电机塔顶的一个外壳单元，包含其机械部件。

[2] 来源Source: https://www.iea.org/reports/offshore-wind-outlook-2019

来源：https://www.iea.org/reports/offshore-wind-outlook-2019

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硬质合金刀具是一种以超细颗粒碳化钨为主要原材料，以钴、钇等金属元素或其它难熔碳化物粉末为辅助材料的精加工合金，具有硬度高、强度大、韧性好、耐磨、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，因而适合应用于数控机床中。近日，根据3D科学谷的市场观察，国际上通过粘结剂喷射3D打印技术成就了结构更加复杂、带冷却内流道的硬质合金刀具。

3D打印技术与刀具制造

© 3D科学谷《3D打印与金属切削刀具白皮书》

更加精细、更加复杂

 挑战更出色

碳化钨是由粉末冶金生产的最广泛使用的高速加工（HSM）工具材料，由硬质碳化物（通常为碳化钨WC）颗粒和较软的金属粘合剂组成。目前，有数百种具有不同组成的WC基碳化钨，其中大多数使用钴（Co）作为粘合剂。镍（Ni）和铬（Cr）也是常用的粘合剂元素，可以添加其他添加剂。一些合金元素。

现代加工操作的严酷条件要求刀具具有出色的硬度和断裂韧性，同时对耐磨性、表面质量和尺寸公差要求很高。硬质金属如碳化钨钴 (WC-Co) 和工具钢如 M2 是此类应用的理想选择，因为它们具有出色且均衡的硬度/断裂韧性、耐高温性和耐磨性，但可能难以制造，甚至对于某些 3D 打印技术来说也是充满挑战的。

传统加工工艺， 通常通过将碳化钨粉末均匀地压在柔性袋中来制造具有高纵横比的大尺寸硬质合金工件或碳化物工件（例如立铣刀和钻头刀柄）。虽然均压法的生产周期比成型方法长，但是该工具的制造成本较低，因此该方法更适合于小批量生产。

硬质合金工件也可以通过挤压或注塑成型来形成。挤出工艺更适合于轴对称成形工件的大规模生产，而注塑工艺通常用于复杂形状工件的大规模生产。在两种模塑方法中，碳化钨粉末的等级悬浮在有机粘合剂中，这赋予碳化钨混合物如牙膏的均匀性。然后将混合物通过孔挤出或模塑成模腔。碳化钨粉末等级的特征决定了混合物中粉末与粘合剂的最佳比例，并且对混合物通过挤出孔口或进入模腔的流动具有重要影响。

通过模塑，均压，挤压或注塑成型工件之后，需要在最终烧结阶段之前从工件上除去有机粘合剂。烧结去除工件中的孔隙，使其完全（或基本上）致密。在烧结时，压制成形工件中的金属结合变成液体，但是在毛细力和颗粒接触的共同作用下工件仍然可以保持其形状。

烧结后，工件的几何形状保持不变，但尺寸缩小。为了在烧结后获得所需的工件尺寸，在设计工具时需要考虑收缩率。在设计用于制造每个工具的碳化钨粉末等级时，必须确保在适当的压力下压制时具有正确的收缩率。

熟悉Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术的业界人士不难发现，传统注塑成型工艺制造的硬质合金工件流程中的脱脂，烧结过程与粘结剂喷射金属3D打印技术所需要的后处理过程是一致的。

那么按照这个逻辑去思考，Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术是否可以替代金属注塑成型工艺或粉末冶金工艺，成就无需模具，且内部结构更为复杂的硬质合金工件呢？

 灵活自定义参数设置

根据3D科学谷的市场观察：西班牙TECNALIA 利用其科学研究知识帮助公司通过颠覆性粘合剂喷射技术取得更大成功。

3D打印技术硬质合金刀具© exone

粘结剂喷射增材制造克服了需要支撑的增材制造工艺的局限性，可用于加工所需但难以加工的硬质金属和工具钢，设计自由度使提高性能的冷却通道能够直接集成到设计中。

3D打印技术硬质合金刀具© exone

在这个案例中，ExOne Innovent 机器可以灵活地自定义参数设置，结合 TECNALIA 团队的工艺和材料专业知识，为该应用定制属性，从而实现了突破，交付具有所需属性的最终部件。

3D打印技术硬质合金刀片© exone

烧结后，获得了密度与传统制造的商业部件相当的部件。此外，该材料的硬度和断裂韧性也相当。

 3D打印释放刀具制造自由度

根据3D科学谷的市场研究，使用3DP粘合剂喷射三维打印技术生产硬质合金刀具在国内外早已有。国际上，早先，德国弗朗霍夫（Fraunhofer）研究所的研究人员就成功地使用3DP粘合剂喷射三维打印技术生产硬质合金刀具。通过3DP打印硬质合金粉末，研究所能够轻松创建复杂的设计。在这个过程中，陶瓷硬质材料的粉末颗粒，包括碳化钨颗粒通过含钴、镍或铁的粘结材料层层打印粘结起来。这种粘合材料不仅是粉末层之间的粘合剂，还使得产品具有良好的机械性能并能生产完全致密的部件，甚至可以选择性地调整弯曲强度、韧性和硬度。后续的处理包括烧结处理，得到与传统加工方式一致的硬质合金模具紧实度。

而不仅仅Fraunhofer研究所运用的3DP技术，另外一种3D打印技术LPBF也被频繁的用于刀具的制造方面。高迈特公司还使用了LPBF金属3D打印技术和机械加工技术用于制造铣刀。铣刀中拥有密集出屑槽的刀体部分是通过金属3D打印技术制造的定制化非标产品，刀柄部分则是通过机械加工技术批量化生产的标准产品。

刀具制造公司积极探索3D打印技术应用与刀具制造
© 3D科学谷《3D打印与金属切削刀具白皮书》

另外一家，玛帕公司还通过3D打印技术创造出QTD系列刀具复杂的螺旋冷却通道，从而提高了冷却液到钻头顶部的流动过程中的热传导能力。玛帕的钻头与之前的钻头相比使用寿命更长、运转速度更快。

无论是3DP技术用于硬质合金刀具的制造还是LPBF技术用于金属刀头和刀柄的制造，3D打印技术在刀具领域的制造方面占有越来越重要的位置。

更多3D打印在刀具领域的应用，请参考3D科学谷发布的《3D打印与金属切削刀具白皮书》

l 参考来源：mcctcarbide，为什么碳化钨是理想的刀具材料？

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根据3D科学谷的市场观察，弗劳恩霍夫Fraunhofer IFAM 与 ExOne 在金属粘结剂喷射开发方面的关系跨越了二十多年。他们自 1998 年左右开始合作，当时 ExOne 是 Extrude Hone 的一部分，推出了世界上第一个商用金属粘结剂喷射系统 RTS-300。近年来，他们共同改进和优化了 CleanFuse，这是一种基于 Fraunhofer IFAM 开发的 ExOne 粘结剂。结果是一种清洁燃烧的粘结剂，用于不锈钢和优质金属的最佳 3D 打印。

© 德国不来梅Fraunhofer IFAM

快速升级产品

CleanFuse™ 金属粘结剂是一种清洁燃烧粘结剂，用于优化不锈钢和优质金属的 3D 打印。

弗劳恩霍夫制造技术和先进材料研究所（Fraunhofer IFAM），是最先进的制造技术和先进材料研究所之一。近日，Fraunhofer IFAM这家欧洲重要的独立研究机构宣布，在 CleanFuse™ 金属粘结剂取得成功之后，他们正在深化在粘结剂和材料开发项目上与Exone的合作伙伴关系。

根据3D科学谷的深度了解，当Fraunhofer IFAM开始在 Innovent 上进行开发后，很快意识到取得了重大突破。ExOne 立即对Fraunhofer IFAM的开发充满热情，因为打印结果具有出色的生坯强度和低固化温度下的清洁烧损。Fraunhofer与 ExOne 一起改进了粘结剂，即现在的 CleanFuse。

Fraunhofer IFAM 和 ExOne 的合作关系继续走向深化，目前正在开发用于处理铝和钛等反应性材料的 CleanFuse 版本。

 协作带来技术快速迭代与创新

根据ExOne，通过Fraunhofer的合作，发现Fraunhofer独特的协作力量——将各种专家和知识聚集在一起——以最好的方式解决复杂的问题。在粘结剂领英，Fraunhofer IFAM 一直是Exone领先的合作伙伴——帮助Exone更好地了解粘结剂、不同类型的粉末，以及如何在从打印到最终烧结的整个工艺链中协同工作以提供优质零件。

Fraunhofer IFAM 在金属和聚合物材料的开发和加工以及增材制造技术（尤其是基于烧结工艺）的全面知识方面拥有强大的基础。该研究所位于德国不来梅的地点配备齐全，可进行基于烧结的增材制造，并提供用于金属零件的打印、脱粉、脱脂和烧结的所有技术。研究人员在金属粉末、粘结剂及其相互作用方面拥有特殊的专业知识。

对于金属粘结剂喷射领域的研究和开发，Fraunhofer IFAM使用一系列 ExOne 打印机（从 Innovent+ 开始）进行材料和工艺开发。三台打印机采用 ExOne 获得专利的三重高级压实技术 (ACT)，可提供行业领先的绿色部件密度。最近，该研究所已将 X1 25Pro 生产速度金属粘结剂喷射系统投入运行，以研究在试生产和试生产环境中的可行性。

根据3D科学谷的了解，Fraunhofer IFAM 是欧洲最重要的粘结剂粘结技术、表面、成型和功能材料独立研究机构之一。研发主要针对对未来可行性具有特殊意义的行业：航空、汽车、能源技术、医疗技术和生命科学以及海事技术。在Fraunhofer IFAM 研究所的五个地点——不来梅、德累斯顿、斯塔德、沃尔夫斯堡和不伦瑞克——以及位于黑尔戈兰的海事技术测试中心——Fraunhofer IFAM将Fraunhofer之道付诸实践：科学卓越、专注于技术应用、可衡量的效用为客户提供最高质量的服务。

而ExOne是业界熟悉的粘结剂喷射 3D 打印技术的先驱。自 1995 年以来，Exone一直致力于解决棘手的问题并实现改变世界的创新。ExOne的 3D 打印系统可将粉末材料（包括金属、陶瓷、复合材料和沙子）快速转化为精密零件、金属铸造模具和型芯以及创新的工具解决方案。工业客户使用Exone的技术来节省时间和金钱，减少浪费，提高他们的制造灵活性，并实现曾经不可能实现的设计和产品。

 跨界合作创造多赢局面

Fraunhofer的研发实力来自于每家研究所独树一帜的建树，还来自于研究所之间的合作，Fraunhofer旗下研究所之间的合作是一种常态，在增材制造领域，Fraunhofer IFAM研究所还参与了位于亚琛的Fraunhofer ILT激光研究所发起的futureAM项目。

futureAM – 新一代增材制造”是于2017年11月推出的，旨在将金属部件的增材制造加速至少10倍。重点呈现从订单到完成金属3D打印组件的数字和物理增值的整体视图，目标是向增材制造的新一代技术迈进。在亚琛Fraunhofer ILT的领导下，另外五个Fraunhofer研究所（IWS，IWU，IAPT，IGD和IFAM）参与该项目。

Fraunhofer的六家研究所于2020年11月结束了futureAM项目，并共同实现了系统技术、材料和过程管理以及连续数字化方面的技术飞跃，从而提高了整个过程链中金属增材制造的效率和成本效益。

futureAM项目© 亚琛Fraunhofer ILT

ACAM亚琛增材制造中心

解锁3D打印潜能，领略ACAM在世界范围内的最前沿的增材制造研发技术与应用案例带到中国市场，共同推动增材制造行业的发展。欢迎莅临2021年9月9日至11日在深圳新落成的深圳国际会展中心举办的formnext + PM South China 深圳国际增材制造、粉末冶金及先进陶瓷展览会上ACAM与主办方共同举办的以“discover 3D printing”为主题的专业研讨会。为方便中国听众理解和现场感知discover3Dprinting-3D打印发现之旅论坛所分享的精华内容，本次大会由ACAM中国董事王晓燕女士（Kitty Wang)全程主持，总结介绍，欢迎扫描报名二维码预定您的参加。

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ExOne 的金属3D打印设施自 2005 年以来一直在持续运营，现在已经生产了超过 200 万个各种金属零件，并在 2016 年推出该公司获得专利的三重高级压实技术 (ACT) 后，产量继续攀升。

© exone

ExOne 在匹兹堡外的金属 3D 打印应用中心拥有大约十几个后处理炉，包括一个新的全金属 Elnik MIM3045 脱脂和烧结炉。该炉具有 4.5 立方英尺的体积，可提供适用于各种材料的氢气、氩气、氮气和真空处理气氛。该炉允许 ExOne 为希望采用粘结剂喷射进行大批量生产的客户模拟全尺寸生产操作。

© exone

现在，所有 ExOne 生产金属的3D打印机都配备了 Triple ACT技术，在粘结剂喷射过程中使用一种独特的方法来分配、散布和压实超细金属粉末——提供具有行业领先性的高密度、高精度和可重复性的金属零件。

为了满足增长的市场需求，ExOne 的应用中心又新安装了两台采用 Triple ACT 的新型 X1 25Pro 打印机，专门为其客户运行两种不锈钢材料：17-4PH 和 316L。X1 25Pro 专为大批量生产而设计，构建体积为 400 x 250 x 250 mm（15.75 x 9.84 x 9.84 英寸），使其能够 3D 打印各种尺寸的零件。

 具有可编程孔隙率的金属3D打印

除了 316L 和 17-4PH，ExOne 还提供多种其他单一合金金属，包括 304L、M2 工具钢、Inconel 718、6061 铝、铜等。

然而，该公司最受欢迎的材料仍然是 X1 Metal 420i——一种金属基复合材料，由 60% 的 420 不锈钢制成，其中 40% 渗入了青铜，这是 ExOne 打印机上最早加工的金属之一。这种材料非常耐用，被用于工业和模具应用，此外，还是消费品（例如珠宝）中最受欢迎且价格合理的材料选择，在黄金、镍和哑光黑等十几种独特饰面中很受欢迎。

ExOne 还提供一种更易于加工的基体材料 X1 Metal 316i™，是 60% 的 316 不锈钢，其中 40% 渗入了青铜。这种材料还具有增强的耐腐蚀性能。

根据3D科学谷的了解，ExOne 粘结剂喷射技术的一个独特功能是能够 3D 打印具有特定孔隙率水平的金属部件，这有助于用于过滤、加工和其他应用。

ExOne 的粘结剂喷射工艺已对 20 多种金属、陶瓷和复合材料进行了认证。3D科学谷了解到这些材料中有一半以上是单合金金属，例如 17-4PH、316L、304L、M2 工具钢、Inconel 718 等。近日，又加入了6061 铝材料。而根据3D科学谷的了解，ExOne 的钛合金材料现在与一家全球医疗器械公司合作，有望快速获得合格资质。

 解决烧结变形的挑战

粘结剂3D打印的市场潜力©《3D科学谷《全球增材制造市场技术趋势、市场概况及发展预测》》

根据3D科学谷的市场了解，烧结是基于粉末冶金制造工艺（包括粘结剂喷射金属3D打印）中的关键步骤。烧结过程将零件加热至接近融化以赋予其强度和完整性，但此过程通常会使零件收缩，相对于其原始3D打印或模制尺寸收缩可达20％。在烧结过程中，支撑不当的零件还会面临很大的变形风险，从而导致零件从炉子中破裂、变形或需要昂贵的后处理才能达到尺寸精度。

几十年来，烧结变形一直是粉末冶金行业的现实。在大部分时间里，解决方案一直是由经验丰富的人通过反复的试错和经验，将零件设计调整与各种烧结支撑物或“固定器”结合在一起，以实现稳定的大批量生产。

谁能够解决烧结变形的挑战，谁就能够先行将粘结剂金属3D打印扩张到更广泛的应用范围，在这方面，国际上的解决方案提供商可以说是“八仙过海各显神通”

Exone 通过其专利的Triple ACT技术，在粘结剂喷射过程中使用一种独特的方法来分配、散布和压实超细金属粉末——提供具有行业领先性的高密度、高精度和可重复性的金属零件。

而另外一家，Desktop Metal则通过其Live Sinter™ 仿真软件将通过最大程度地减少对试验和错误的依赖，通过仿真技术来改变游戏规则。有了该软件的加持，用户无需成为粉末冶金专家，也能够制造准确的零件。

Live Sinter™ 不仅可以纠正烧结过程中通常会遇到的收缩和变形，而且还为将减少粘结剂喷射金属3D打印技术制造复杂几何结构的挑战，通过改善烧结零件的形状和尺寸公差，提高复杂几何形状零件的首次成功率，并复杂几何形状零件的首次成功率。

Live Sinter™ 能够对烧结进行高速仿真预测，与GPU和简化的校准有关。Live Sinter™ 在GPU加速的多物理引擎上运行，能够对数十万个连接的粒子质量与刚体之间的碰撞和相互作用进行建模。多物理引擎的动态仿真使用集成的无网格有限元分析（FEA）进行了改进，该分析可计算零件几何形状之间的应力、应变和位移，不仅用于预测收缩和变形，还可以预测风险和故障。在开始进行基于烧结的零件增材制造之前，就验证其可行性。

l 文章来源：3D科学谷内容团队

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