南极熊导读：粘合剂喷射是目前市场上广泛使用的一种增材制造工艺，它的工作原理与其他 3D 打印方法类似，不同的是它是基于微滴粘合剂和粉末原料制造，所兼容的材料包括金属、沙子、陶瓷和复合材料等。
粘结剂喷射技术是逐层制造所需部件，根据所使用的粘合剂和粉末，可能需要进行后处理步骤，如烧结。这种3D打印工艺在材料和设计方面具有很高的灵活性，以及生产大型部件的能力，这使得它成为许多制造商所看好的一项关键技术。但是，当一个公司想要整合粘合剂喷射时，应该考虑什么？该技术的优势和挑战是什么？本期文章中的专家给出了它们的一些看法，并对问题进行了阐述。
第一位专家是ExOne公司的产品经理AndreasMüller。他的主要工作是开发和改进砂型3D打印机器的能力。ExOne是粘合剂喷射式3D打印机的领先制造商之一，特别是使用沙子的系统。第二位专家是Lino3D的总经理Lefteris Havouzis。这家希腊公司目前为公司和制造商的增材制造项目提供支持，这要归功于其在几种工艺中的专业知识，包括金属粘合剂喷射。最后一位专家是Vincent Poirier，他是Novadditive的创始人和总裁，Novadditive是第一个多流程3D打印的陶瓷定制生产中心。
△从左至右：Andreas Müller，Lefteris Havouzis，Vincent Poirier
粘合剂喷射3D打印是如何工作的？
像其他所有的增材制造工艺一样，粘合剂喷射是通过材料层的叠加来生产零件的。在这种情况下，粉末床的理想颗粒是球形的，直径为1微米。为了使粉末颗粒相互粘连，使用打印头将粘合剂喷到板上的所需位置。这一过程逐层重复，直到获得最终的物体。ExOne公司的Andreas Müller补充说："类似于在纸片上的印刷，这个过程是逐层重复的，使用数字设计文件的地图，直到物体完成。打印后，整个装满零件的作业箱可以在大约半天的时间内完成打印，零件可以从打印区取出。根据使用的材料和粘合剂，可能需要额外的固化和后处理步骤"。
正如你所看到的，这个过程需要两种材料才能正常工作：3D打印材料和粘合剂。而关于粘合剂喷射的特别有趣的是市场上材料的多样性。
△粘合剂喷射过程（图片来源：ExOne）
粘结剂喷射的材料灵活性
粘合剂喷射技术与金属、陶瓷、沙子和复合粉末等多种材料兼容。因此，它是一项能解决多种类型应用的技术。例如，砂型粘结剂喷射在铸造核心或模具的设计中很受欢迎，避免了对模具的需求，提供了更大的设计自由度。Andreas Müller解释说："ExOne沙子3D打印使用铸造级沙子和粘合剂来制作金属铸造的模具和芯子。沙子也被打印成其他复杂的设计，再与树脂浸润在一起，形成耐用的最终使用部件。打印介质和粘结剂的组合是为每个应用定制的。我们的3D打印机可以处理各种砂铸材料，包括硅砂和陶瓷砂。不同的粘合剂，如呋喃、酚醛和无机粘合剂可用于铸造从铝和镁到铁和钢的各种合金"。
如果现在把目光转向金属，同样存在材料的多样性。Lefteris Havouzis说："一般来说，所有的合金都可以有效地烧结（主要是铁基合金，如不锈钢、工具钢、镍基超级合金、铬钴合金，以及难以焊接的合金，如耐火合金）。最重要的一点是，粘结剂喷射可以用于难以焊接的合金，而这是激光增材工艺难以实现的。“
△粘合剂喷射法用于金属粉末（图片来源：ExOne）
在工艺方面，打印后的烧结步骤是必不可少的一步。在离开3D打印机后，通常被称为生坯部件的部件充满孔隙，会变得非常脆弱，必须进行热处理以获得其最终的机械性能。与其他使用粉末的金属工艺不同，金属粘合剂喷射不需要打印支撑，因为周围的粉末支撑着零件。
最后，在陶瓷方面，粘合剂喷射也是制造商使用的技术之一。Vincent Poirier解释说："理论上，所有的陶瓷材料都可与粘结剂喷射兼容，只要开发了合适的粘结剂，并且可以制备出球形颗粒或可以顺利铺展的粉末。在实践中，为该工艺开发的陶瓷材料往往会比增材制造技术更具有优势"。因此，在选择陶瓷粉末粘结时，应用是关键。你必须有一个非常具体的项目，否则，选择这种工艺是不靠谱的。氧化铝、氧化锆、碳化硼或浸润碳化硅都是可以用于粘合剂喷射的陶瓷，并且它们在太空领域有着广阔的应用前景。
△砂型粘合剂喷射法被广泛用于制造模具和芯子（图片来源：宝马集团）
粘合剂喷射的优点和局限性
如前所述，粉末粘结的主要优势之一是它的材料兼容性。不过，一切都是相对的：例如，尽管激光增材技术的应用很广泛，但可用于这一技术的金属材料范围却很有限。但是，粘结剂喷射能够根据所需的应用在粉末/粘合剂上进行组合，这一方向是非常有趣的。
这也是一项允许生产大型部件的技术，当然，这取决于机器的能力。事实上，粘合剂喷射是在室温下进行的，这消除了热变形（翘曲）的风险。因此，用户将能够想象更大和更复杂的零件。Lino3D的Lefteris Havouzis补充说："与其他的金属3D打印技术相比，粘结剂喷射技术设计的自由度要更大，可以实现更复杂的生产组合，减少制作时间。在同一次打印中，我们可以打印几十个不同的批次，而不需要任何改变。"
除了零件的数量之外，还可以提到工艺的相对速度和简单性。Andreas Müller评论说："粘结剂喷射技术在增材制造方法中特别以其高容积率输出而闻名。在增材制造技术中，它也是与传统印刷最相似的，方法简单，速度快。粘合剂的功能就像墨水一样，它在粉末层上移动，就像在纸上打印一样，形成最终产品。相比之下，许多其他形式的3D打印是用一个点--通常是激光或喷嘴--将材料挤压、熔化或焊接在一起来制造零件。这种工艺需要更多的材料和时间，以单点逐层拉出每个零件。" 相比之下，粘结剂喷射机可以一次沉积许多粘结剂液滴，减少制造时间，提高生产率。然而，请注意，后处理步骤会延长这个过程。
△使用陶瓷需要进行后处理（图片来源：WZR）
后处理是粘合剂喷射的最终限制之一，特别是在使用金属和陶瓷粉末时。你必须经过排胶和烧结步骤，这将增加时间，但也会影响最终的零件。来自Lino3D的Lefteris说："在审视这项技术时，必须提到粘合剂喷射的关键阶段是在烧结阶段，在这个阶段必须考虑到几种现象。那么与一个能够管理整个价值流的合作伙伴合作就非常关键。"
粘结剂喷射的初始坯件是一个多孔的部件，机械性能很弱。Vincent Poirier总结道："粉末的沉降能力越强，预制件和陶瓷部件的多孔性就越低。因此，选择正确的粉末并选择球形粉末是至关重要的。“
总结
最重要的关键词是整合：粘结剂喷射，像其他制造技术一样，不是一个独立的解决方案，但要实现其潜力，必须将其整合到公司的生态系统中，从设计到后期处理。- Lefteris Havouzis
砂型3D打印是一种灵活的生产技术。它适合作为生产砂铸工具的快速制造方法，也可用于生产独特的终端产品。要考虑的重要问题是技术和材料的正确组合，以满足这些需求。在ExOne，我们提供全方位的砂型3D打印支持，在德国为我们的欧洲客户设立了一个服务中心，在那里我们带领客户了解不同的选择，并评估最佳解决方案，以解决他们的生产挑战。 Andreas Müller
对于陶瓷来说，你需要有一个非常具体的应用，明确地需要这种技术。与其他陶瓷增材制造技术一样，我们无法涵盖所有情况。此外，重要的是要明白，技术诀窍不仅是在打印方面。喷射打印陶瓷材料的诀窍在于掌握诸如烧结周期和烧结收缩等关键工序，它们对最终成品的影响也很重要。- Vincent Poirier
