ExOne保障粘结剂喷射金属3D打印高质量、可重复制造的关键要素

在粘结剂喷射金属3D打印过程中使用超细粉末是获得高质量最终零件的重要保障。因为粉末越细，越有助于有助于颗粒之间充分烧结，形成致密、均匀的微观结构，从而获得可靠的形状和性能。

然而，处理超细粉末存在很大挑战。首先，很难将它们均匀地铺展在粉床上，这些细小的颗粒很容易堆积结块；其次，当粘结剂沉积在粉床上时，还会出现波纹或者移位；此外，要覆盖的表面积越大，创建统一的打印环境就越困难。ExOne指出，在使用粘合剂喷射技术进行金属零件3D打印时，必须严格控制铺粉过程。3D打印机的稳定性将会在烧结后的零件中充分显现出来，同时会暴露粉末熔融过程中的所有缺陷。

ExOne指出，使用粘结剂喷射金属3D打印技术必须保证以下几点：

• 打印机必须保障能够铺设薄而致密且均匀的粉末层；

• 打印头必须将粘结剂精确地沉积在需要发生颗粒结合的粉末床上；

• 在开始下一层之前，已打印层必须足够干燥，以便所需的颗粒部分粘合在一起，并且打印区域不能太湿。

本期，3D打印技术参考主要介绍ExOne如何控制超细金属粉末良好分配、均匀摊铺和压实粉末床，这些因素是ExOne实现高质量零件和可重复性制造的重要因素。ExOne获得专利的三重压实系统解决了三个最重要的问题：对粉末进行分配、摊铺和压实，以创建薄而均匀的粉末层。这是一个三重解决方案，其每个功能在设计上都是独特的。

1. 粉末沉积—独特的超声波料斗

为解决粉末结块和粉末扬尘问题，多年来ExOne使用了几种不同的沉积方法。最初，机器使用并排的盒子系统，垂直分配粉末，然后将粉末散布在打印区域。

为了取得最佳效果，ExOne工程团队研究了其他细粉加工行业使用的粉末处理技术。他们发现使用震动和脉冲系统，以特定的节奏来管理和移动细粉。但这种方法也有局限性：大多数粉末沉积系统用于将粉末放置在一个狭窄的位置，而不是整个打印区域，因此ExOne发明了一种独特的解决方案。

超声波料斗的运行过程

ExOne开发并改进了Triple ACT系统的第一部分：料斗设计。当粉末快速穿过打印床的跨度时，超声波振动释放高度受控的粉末量，该步骤旨在大的构建区域范围内释放出足够的粉末颗粒。之后，会进入到系统的第二部分功能，均匀铺展粉末。

2. 粉末铺展—具有滚花设计的新型辊筒

ExOne过去在小尺寸设备上一直采用传统的铺粉滚将粉末摊铺并压实，这种结构取得了有限的效果。但随着成型尺寸扩大，该装置确实仍在一定程度上有助于粉末的均匀分布，但它实际上对将粉末压实更有效。因此，传统的铺粉机构在大尺寸打印范围内无法实现均匀一致的粉末铺展效果。

带有滚花设计的新型辊筒

滚花设计有助于粉末传动

因此，ExOne的团队决定将粉末摊铺和压实功能分开，为每个步骤使用两种新的辊筒设计。新的铺粉辊具有特殊的滚花设计，能够增加与粉末表面的摩擦和接触。这种特殊的表面有助于在一定的高度设置下以一致的方式均匀地拾取和摊铺粉末，确保粉末以一致、均匀的方式铺展。

3. 零件致密化的最后一步—粉末压实

三重压实系统的最后一步就是压实上一步均匀铺设的粉末。目标是将颗粒紧密地压在一起，这样当喷头将粘结剂喷射进入颗粒之间时，它可以形成最致密的粘合。

但是，压实的压力也不能太大，否则可能会损坏上一层刚刚打印完、尚未完全固化的图层。虽然每层都会在喷射粘结剂后进行加热，但在铺设新的粉末层之前，该层并未完全固化或干燥。

粉末压实辊

三重压实系统的整个铺粉过程

打印、烘烤与铺粉

就比如，在海滩上的潮湿沙堡中添加一层新沙子，然后用辊子将其压平，必须使用刚好足够的力来压实，否则下层就会被压碎。在粘结剂喷射中，这些已经打印的层对X、Y和Z方向的破坏非常敏感，压实力以及在压实作用下Z轴的精度必须严格控制。

此外，ExOne的三重压实系统还有助于获得更好的表面质量，避免了粉末分散和移位。

ExOne采用粘结剂喷射技术完成烧结的金属零件

关于铺粉过程对零件质量的影响，滑铁卢大学进行了相关研究，并发表在杂志《Additive Manufacturing》上，证实了铺粉辊系统对粘结剂喷射流金属3D打印部件增加生坯密度及提高质量是至关重要的。同时，粉末层的压实也有助于最大限度地减少液体粘结剂在零件区域外的渗出，这种渗出效应可能是有害的，因为它可能会导致层移。

END

综上所述，ExOne的精细粉末分配、摊铺和压实系统提供了业界领先的零件密度和生产3D打印所需的可重复性，尤其适用于在更大的构建区域内进行生产。

ExOne的三效系统可实现97%或更高的密度，并且在整个制造区域的零件密度变化仅为0.3%——相比ExOne带有传统的铺粉机构的系统提高了90%。

参考文献：https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.10.015

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