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粘合剂喷射金属3D打印与金属注射成型(MIM)的对比

2021-12-20文章来源:易制科技

  金属注射成型 (MIM) 是一种用于金属零件大批量生产的强大制造工艺。但粘合剂喷射金属3D打印(BJ)以其独特的优势提供了一种引人注目的替代方案。

  什么是粘合剂喷射金属3D打印?

粘合剂喷射金属3D打印原理图

粘合剂喷射金属3D打印过程图

  粘合剂喷射金属3D打印(Binder jetting)采用阵列式喷头,把CAD模型切片得到一系列二维数据。根据切片得到的二维图形,在金属粉末床中选择性喷射粘合剂(Binder)来固化成型,层层叠加制作完成整个初坯零件。然后将初坯零件通过预烧结得到一定强度后,进行清粉。最后通过高温烧结将粘合剂去除并实现粉末颗粒之间的融合,从而得到高致密度和高强度的零件。

粘合剂喷射金属3D打印机用到的辅助设备
粘合剂喷射金属3D打印机用到的辅助设备

  粘合剂喷射金属3D打印的好处

  目前来看, 粘结剂喷射金属3D打印的主要优势之一是速度快。粘合剂喷射金属3D打印采用阵列式喷头,是传统SLM的几十倍以上。因为SLM是从“点”到“线”,而粘结剂喷射金属3D打印是从“线”到“面”,可实现大规模生产零件。

  优势之二是材料广,理论上可打印任何粉末状金属材料。原则上,常温下不易氧化的粉末均可打印。

  优势之三是成本低,不到SLM工艺的1/5;与传统数控的加工成本相当。

  优势之四是处理方便,无需添加支撑,打印零件周围松散的粉末即可支撑住打印件。

  除了以上粘合剂喷射金属3D打印特有的优势之外,与其他金属3D打印技术一样还具有很明显的设计自由度:由于零件是逐层构建(而MIM零件是在模具中形成),因此粘合剂喷射金属3D打印原则上来可以实现各种复杂形状零件的打印。这也意味着可以将几个零件整合——几个连接件可以被一个零件取代,但实现的功能一样——从而减少零件数量并缩短装配时间。

  还有一个明显的优点,粘合剂喷射金属3D打印的制造步骤比MIM少。MIM需要开模。而粘合剂喷射金属3D打印可以直接打印零件。因为对于小批量的加工速度明显优于MIM工艺。并且,MIM的模具一旦加工完成,就不容易调整。所以在不增加费用的情况下,金属3D打印可以进行多次迭代。

  综合以上优点,粘合剂喷射金属3D打印是唯一可以实现工业批量化应用的金属3D打印技术。当然,粘合剂喷射金属3D打印也有因为后期烧结工艺很难克服而存在不擅长的领域。主要是由于重力和摩擦的影响,粘合剂喷射金属3D打印不擅长加工无支撑结构的大面积薄壁件,不善于制造细枝树状零件等。

易制科技研发的Easy3DP-M450型号粘合剂喷射金属3D打印机
易制科技研发的Easy3DP-M450型号粘合剂喷射金属3D打印机

  粘合剂喷射金属3D打印与MIM的异同点

  粘合剂喷射金属3D打印机与MIM均可以制造金属零件。但是二者既有相同之处,也有不同之处。

  首先BJ的设计约束比MIM少,而MIM的设计需要考虑零件脱模,所以限制了一些形状。

  其次成型工艺不一样。BJ采用阵列喷头选择性喷射粘合剂固化而成(前面有详细介绍),而MIM则采用模具注射成型。但是两者的后处理工艺是相同的,均需要高温烧结。烧结后,BJ打印零件的致密度可以达到98%以上,与MIM工艺相近。但是由于MIM需要专门的脱脂过程,决定了不可能做很厚实的零件。

  一般BJ技术所使用的金属粉末材料,体积比为60%,收缩比为1.15~1.2之间。所以烧结工艺对于粘合剂喷射金属3D打印是至关重要的。武汉易制科技(EasyMFG)从2016年开始做粘合剂喷射金属3D打印机以来,在烧结工艺方面做了大量的实验工作,积累了很多丰富的数据,能够解决这一环节的问题。

  如何在粘合剂喷射金属3D打印与MIM之间选择?

  大多数情况下,如何取舍,主要在于产量。对于原型制造和小批量生产,比如几万件,选择BJ是不错的选择。但是MIM在大批量生产时更具成本效益,比如几十万件以下,选择MIM。

  除了产量是决定性因素之外,还有其他的原因。

  由于脱脂的限制,MIM不能做太大和厚实的零件。一般MIM在500g以下范围。所以对于大尺寸,倾向于选择BJ。

  还有,复杂的设计也倾向于选择BJ,因为MIM零件的几何形状受到脱模的限制。

Easy3DP-M450粘合剂喷射金属3D打印机打印的金属零件

  与BJ相比,MIM 的表面光洁度略高,粗糙度更小,所以表面粗糙度在1~2μ,选择MIM。表面粗糙度在3μ以上,选择BJ。对于装配精度高的,一般在1个μ以下,加工后期工艺需要采用CNC,既可以选择MIM也可以选择BJ。

  使用粘合剂喷射金属3D打印补充MIM

Easy3DP-M450粘合剂喷射金属3D打印机打印的金属零件

  粘合剂喷射金属3D打印(BJ) 和 MIM 并不是两种存在竞争的工艺,而是相互补充的关系。事实上,BJ可用于补充 MIM。对于一些小批量的较复杂的产品,开模的成本比较高,这时候用BJ具备明显价格优势。此外,BJ的数字化柔性制造特点,可以实现在短期内制作样品,快速实现市场验证。在产品前期开发过程中,也比较适合用3D打印。