了解粘合剂喷射 3D 打印：原理、优点和局限性
在 Binder Jetting 3D 打印简介中，我们介绍了该技术的基本原理。阅读本文后，您将了解粘合剂喷射工艺的基本机制以及它们与其优点和局限性的关系。
粘合剂喷射是如何工作的？
以下是粘合剂喷射工艺的工作原理：
I. 首先，重涂刀片在构建平台上涂上一层薄薄的粉末。
二.然后，带有喷墨喷嘴（类似于桌面 2D 打印机中使用的喷嘴）的托架经过该床，选择性地沉积将粉末颗粒粘合在一起的粘合剂（胶水）液滴。在全色粘合剂喷射中，彩色墨水也在该步骤中沉积。每个液滴的尺寸约为直径80 μm，因此可以获得良好的分辨率。
三．当该层完成后，构建平台向下移动，刀片重新涂覆表面。然后重复该过程，直到整个部件完成。
四．打印后，部件被封装在粉末中，并等待固化并获得强度。然后将零件从粉末箱中取出，并通过加压空气清洁未结合的多余粉末。
根据材料的不同，通常需要进行后处理步骤。例如，金属粘合剂喷射部件需要烧结 （或以其他方式热处理）或渗透 与低熔点金属（通常是青铜）。全彩原型还渗透有丙烯酸并进行涂层，以提高颜色的活力。砂型铸造型芯和模具通常在 3D 打印后即可使用。
这是因为零件离开打印机时处于“绿色”状态。粘合剂喷射部件处于绿色状态 机械性能差（非常脆）且孔隙率高。
粘合剂喷射 3D 打印机示意图粘合剂喷射3D打印有哪些特点？
打印机参数
在粘合剂喷射中，几乎所有工艺参数都是由机器制造商预设的。
典型的层高 取决于材料：对于全彩模型，典型层高为 100 微米，对于金属零件，典型层高为 50 微米，对于砂铸模具材料，典型层高为 200-400 微米。
与其他 3D 打印工艺相比，粘合剂喷射的一个关键优势是在室温下进行粘合 。这意味着与热效应相关的尺寸扭曲（例如 FDM、SLS、DMSL/SLM 中的翘曲或 SLA/DLP 中的卷曲）在粘合剂喷射中不是问题。
因此，构建量 与所有 3D 打印技术相比，粘合剂喷射机的数量是最大的（最大 2200 x 1200 x 600 毫米）。这些大型机器通常用于生产砂型铸造模具。金属粘合剂喷射系统通常比 DMSL/SLM 系统具有更大的构建体积（高达 800 x 500 x 400 毫米），这允许一次并行制造多个零件。但由于涉及后处理步骤，最大零件尺寸被限制为建议长度最多 50 毫米。
此外，粘合剂喷射不需要支撑结构 ：周围的粉末为零件提供所有必要的支撑（类似于 SLS）。这是金属粘合剂喷射与其他金属 3D 打印工艺之间的一个关键区别，其他金属 3D 打印工艺通常需要大量使用支撑结构，并且允许创建几乎没有几何限制的自由形式金属结构。金属粘合剂喷射中的几何误差主要来自后处理步骤，如后面部分所述。
由于 Binder Jetting 中的部件不需要连接到构建平台，因此可以利用整个构建体积。因此，粘合剂喷射适合中低批量生产 。为了充分利用粘合剂喷射的全部功能，考虑如何有效地填充机器的整个构建体积（装箱）非常重要。
小型金属粘合剂喷射，具有尺寸精度高的细孔。图片由数字金属提供
全色粘合剂喷射
粘合剂喷射可以以与材料喷射类似的方式生产全彩 3D 打印零件。由于成本低廉，它常用于 3D 打印雕像和地形图。
全彩模型使用砂岩粉末或 PMMA 粉末打印。主打印头首先喷射粘合剂，而辅助打印头喷射彩色墨水。不同颜色的墨水可以组合起来产生大量的颜色，类似于 2D 喷墨打印机。
打印后，零件上涂有氰基丙烯酸酯（强力胶）或不同的浸渍剂，以提高零件强度并增强颜色的活力。然后还可以添加第二层环氧树脂，以进一步提高强度和颜色外观。即使有这些额外的步骤，全彩粘合剂喷射部件也非常脆，不建议用于功能性应用。
要生成全彩色打印件，必须提供包含颜色信息的 CAD 模型。可以通过两种方法将颜色应用于 CAD 模型：基于每个面的方法或作为纹理贴图。在每个面上应用颜色既快速又容易实现，但使用纹理贴图可以实现更多控制和更多细节。有关具体说明，请参阅您的本机 CAD 软件。
使用粘合剂喷射在砂岩上打印的全彩印刷品砂型铸造型芯和模具
大型砂型铸造模型的生产是粘合剂喷射最常见的用途之一。该工艺成本低且速度快，使其成为复杂图案设计的绝佳解决方案，而使用传统技术很难或不可能生产这些图案。
型芯和模具通常用沙子或二氧化硅打印。打印后，模具通常可以立即进行铸造。通常在铸造后通过打破模具将铸造的金属部件从其中移除。尽管这些模具只使用一次，但与传统制造相比，节省的时间和成本是巨大的。
用于铸造发动机缸体的多部分砂型铸造组件。图片由 ExOne 提供
金属粘合剂喷射
金属粘合剂喷射经济性提高 10 倍 优于其他金属 3D 打印工艺 (DMSL/SLM)。此外，Binder Jetting 的构建尺寸相当大，并且生产的零件不需要支撑结构 在打印过程中，能够创建复杂的几何形状。这使得金属粘合剂喷射成为中低金属生产非常有吸引力的技术 .
金属粘合剂喷射零件的主要缺点是其机械性能，不适合高端应用。尽管如此，所生产的零件的材料性能与金属注射成型生产的金属零件相当，金属注射成型是大规模生产金属零件最广泛使用的制造方法之一。
渗透和烧结
金属粘合剂喷射部件在打印后需要二次处理，例如渗透 或烧结 ，以实现良好的机械性能，因为打印的零件基本上由用聚合物粘合剂粘合在一起的金属颗粒组成。
渗透： 打印后，将部件放入熔炉中，其中粘合剂被烧掉，留下空隙。此时，零件的孔隙率约为 60%。然后使用青铜通过毛细管作用渗透孔隙，从而获得低孔隙率和良好强度的零件。
烧结： 打印完成后，零件被放置在高温炉中，其中粘合剂被烧掉，剩余的金属颗粒被烧结（粘合）在一起，从而得到孔隙率非常低的零件。
油气定子由不锈钢打印并渗入青铜。注意表面光洁度，这是粘合剂喷射零件的典型特征。图片由 ExOne 提供
金属粘结剂喷射的特点
根据模型的不同，精度和公差可能会有很大差异，并且很难预测，因为它们很大程度上取决于几何形状。例如，长度达 25 - 75 毫米的部件在渗透后收缩 0.8 至 2%，而较大部件的估计平均收缩率为 3%。对于烧结，零件收缩率约为 20%。零件尺寸针对收缩进行补偿 通过机器的软件，但不均匀收缩可能是一个问题，必须在设计阶段与 Binder 喷射机操作员合作加以考虑。
后处理步骤也可能是不准确的根源。例如，在烧结过程中，零件被加热到高温并变得更软。在这种较软的状态下，不受支撑的区域 可能会在自重作用下变形。此外，由于零件在烧结过程中收缩，炉板与零件下表面之间会产生摩擦，这可能会导致翘曲 。同样，与 Binder 喷射机操作员的沟通是确保最佳结果的关键。
烧结或渗透粘合剂喷射金属部件将具有内部孔隙 （烧结产生 97% 的致密部件，而渗透则约为 90%）。这会影响金属粘合剂喷射部件的机械性能，因为空隙会导致裂纹萌生。疲劳强度和断裂强度以及断裂伸长率是受内部孔隙率影响最大的材料性能。先进的冶金工艺（如热等静压或 HIP）可用于生产几乎没有内部孔隙的零件。对于机械性能至关重要的应用，DMLS 或 SLM 是推荐的解决方案。
与 DMLS/SLM 相比，金属粘合剂喷射的优点是表面粗糙度 所生产的零件。通常，金属粘合剂喷射部件在后处理后的表面粗糙度为 Ra 6 μm，如果采用喷砂步骤，表面粗糙度可降至 Ra 3 μm。相比之下，DMLS/SLM 零件的打印表面粗糙度约为 Ra 12-16 μm。这对于具有内部几何形状的零件特别有利 ，例如内部渠道，后期处理比较困难。
下表总结了使用 Binder Jetting 和 DMLS/SLM 打印的不锈钢零件的主要机械性能差异：
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