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粘合劑噴射金屬3D打印與金屬注射成型(MIM)的對比

2021-12-20文章來源:易制科技

  金屬注射成型 (MIM) 是一種用于金屬零件大批量生產的強大制造工藝。但粘合劑噴射金屬3D打印(BJ)以其獨特的優勢提供了一種引人注目的替代方案。

  什么是粘合劑噴射金屬3D打印?

粘合劑噴射金屬3D打印原理圖

粘合劑噴射金屬3D打印過程圖

  粘合劑噴射金屬3D打印(Binder jetting)采用陣列式噴頭,把CAD模型切片得到一系列二維數據。根據切片得到的二維圖形,在金屬粉末床中選擇性噴射粘合劑(Binder)來固化成型,層層疊加制作完成整個初坯零件。然后將初坯零件通過預燒結得到一定強度后,進行清粉。最后通過高溫燒結將粘合劑去除并實現粉末顆粒之間的融合,從而得到高致密度和高強度的零件。

粘合劑噴射金屬3D打印機用到的輔助設備
粘合劑噴射金屬3D打印機用到的輔助設備

  粘合劑噴射金屬3D打印的好處

  目前來看, 粘結劑噴射金屬3D打印的主要優勢之一是速度快。粘合劑噴射金屬3D打印采用陣列式噴頭,是傳統SLM的幾十倍以上。因為SLM是從“點”到“線”,而粘結劑噴射金屬3D打印是從“線”到“面”,可實現大規模生產零件。

  優勢之二是材料廣,理論上可打印任何粉末狀金屬材料。原則上,常溫下不易氧化的粉末均可打印。

  優勢之三是成本低,不到SLM工藝的1/5;與傳統數控的加工成本相當。

  優勢之四是處理方便,無需添加支撐,打印零件周圍松散的粉末即可支撐住打印件。

  除了以上粘合劑噴射金屬3D打印特有的優勢之外,與其他金屬3D打印技術一樣還具有很明顯的設計自由度:由于零件是逐層構建(而MIM零件是在模具中形成),因此粘合劑噴射金屬3D打印原則上來可以實現各種復雜形狀零件的打印。這也意味著可以將幾個零件整合——幾個連接件可以被一個零件取代,但實現的功能一樣——從而減少零件數量并縮短裝配時間。

  還有一個明顯的優點,粘合劑噴射金屬3D打印的制造步驟比MIM少。MIM需要開模。而粘合劑噴射金屬3D打印可以直接打印零件。因為對于小批量的加工速度明顯優于MIM工藝。并且,MIM的模具一旦加工完成,就不容易調整。所以在不增加費用的情況下,金屬3D打印可以進行多次迭代。

  綜合以上優點,粘合劑噴射金屬3D打印是唯一可以實現工業批量化應用的金屬3D打印技術。當然,粘合劑噴射金屬3D打印也有因為后期燒結工藝很難克服而存在不擅長的領域。主要是由于重力和摩擦的影響,粘合劑噴射金屬3D打印不擅長加工無支撐結構的大面積薄壁件,不善于制造細枝樹狀零件等。

易制科技研發的Easy3DP-M450型號粘合劑噴射金屬3D打印機
易制科技研發的Easy3DP-M450型號粘合劑噴射金屬3D打印機

  粘合劑噴射金屬3D打印與MIM的異同點

  粘合劑噴射金屬3D打印機與MIM均可以制造金屬零件。但是二者既有相同之處,也有不同之處。

  首先BJ的設計約束比MIM少,而MIM的設計需要考慮零件脫模,所以限制了一些形狀。

  其次成型工藝不一樣。BJ采用陣列噴頭選擇性噴射粘合劑固化而成(前面有詳細介紹),而MIM則采用模具注射成型。但是兩者的后處理工藝是相同的,均需要高溫燒結。燒結后,BJ打印零件的致密度可以達到98%以上,與MIM工藝相近。但是由于MIM需要專門的脫脂過程,決定了不可能做很厚實的零件。

  一般BJ技術所使用的金屬粉末材料,體積比為60%,收縮比為1.15~1.2之間。所以燒結工藝對于粘合劑噴射金屬3D打印是至關重要的。武漢易制科技(EasyMFG)從2016年開始做粘合劑噴射金屬3D打印機以來,在燒結工藝方面做了大量的實驗工作,積累了很多豐富的數據,能夠解決這一環節的問題。

  如何在粘合劑噴射金屬3D打印與MIM之間選擇?

  大多數情況下,如何取舍,主要在于產量。對于原型制造和小批量生產,比如幾萬件,選擇BJ是不錯的選擇。但是MIM在大批量生產時更具成本效益,比如幾十萬件以下,選擇MIM。

  除了產量是決定性因素之外,還有其他的原因。

  由于脫脂的限制,MIM不能做太大和厚實的零件。一般MIM在500g以下范圍。所以對于大尺寸,傾向于選擇BJ。

  還有,復雜的設計也傾向于選擇BJ,因為MIM零件的幾何形狀受到脫模的限制。

Easy3DP-M450粘合劑噴射金屬3D打印機打印的金屬零件

  與BJ相比,MIM 的表面光潔度略高,粗糙度更小,所以表面粗糙度在1~2μ,選擇MIM。表面粗糙度在3μ以上,選擇BJ。對于裝配精度高的,一般在1個μ以下,加工后期工藝需要采用CNC,既可以選擇MIM也可以選擇BJ。

  使用粘合劑噴射金屬3D打印補充MIM

Easy3DP-M450粘合劑噴射金屬3D打印機打印的金屬零件

  粘合劑噴射金屬3D打印(BJ) 和 MIM 并不是兩種存在競爭的工藝,而是相互補充的關系。事實上,BJ可用于補充 MIM。對于一些小批量的較復雜的產品,開模的成本比較高,這時候用BJ具備明顯價格優勢。此外,BJ的數字化柔性制造特點,可以實現在短期內制作樣品,快速實現市場驗證。在產品前期開發過程中,也比較適合用3D打印。

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