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全面解析BJ技术!带你扫清BJ打印的认知盲区

发布时间:2022-6-26 18:52 来源:莫琰峰(武汉易制科技) 观看:

从整体的各项工艺产业链不断成熟起来以后,BJ (Binder Jetting)技术渐渐走入了大家的视野。BJ打印的金属零件的性能、致密度会不会比较差?打印周期多久?成本多高?6月9日下午2点半,霍尔榜直播间邀请了从事3D打印行业10余年的武汉易制科技市场总监莫琰峰,全面解析BJ技术,带您扫清BJ打印的认知盲区。接下来小编将为您呈上一篇最专业、最全面的BJ技术扫盲帖。

BJ打印的金属零件的性能,致密度会不会比较差?

就是这个零件打印出来我能不能实际应用,这个性能是不是比我们传统制造的方式(铸造、锻造、或者其它减材制造)做出来的零件能不能相比,它有什么差距。因为BJ金属3D打印它是属于间接金属打印,跟SLM相比它还是有一个区别,SLM金属打印是直接金属,因为它这个金属粉末吸收了激光能量之后,粉末是已经融化掉的,出来的零件已经是具有很好的强度了。BJ特点是在粉末床上是靠粘结剂,俗称就是靠胶水把它粘起来的,最后进烧结炉去烧结才能得到致密的金属零件。

我们以316L不锈钢为例,316L的金属零件致密度我们测试已经达到了99%,各项指标已经完全满足,机械性能已经达到可以正常使用。我们做了多种多个样件的测试,致密度都已经达到了要求。

老外做的疲劳测试,它的扭矩都可以承受,它跟精铸零件比较,有100万次疲劳测试,它的扭矩换算出来,我们常用的单位比如30NM,而且就是实际的,整体的性能是比铸造的性能还会好的,变形量在做了这么多测试之后,实际铸造的变形量比BJ做出来的变形量还要多一些。所以说这个性能是完全没有问题的,可以达到使用实际的要求的,当然这个技术零件性能的致密度跟你选用的粉末,粘结剂,烧结工艺都是息息相关的。

为什么说BJ金属打印是最适合于生产型的?

因为它快!以我们自己公司设备做测试的例子,比如说我们这一个成型缸尺寸大概是500乘以450毫米,高度是400毫米的成型空间,一个工作缸。然后我们满缸打印,最快的情况下可以把一个初坯的零件在7.5小时打印完。再加上后处理其它的工艺的时间,固化时间,清粉的时间,烧结的时间,汇总起来大概是两天2x24小时,48小时以内可能就能拿到你需要的零件。

简单对比一下,我们现在SLM机器做的浮面也比较大,高度比较高,现在也出了很多这种多激光器的,效率有很大的提升了,但是跟BJ相比还是显得不足,还是比较慢。局限在哪里呢?主要是SLM机器是激光扫描,点扫描。我们这个粘结剂喷射扫描,你可以理解为它是一个喷头,是一个幅面,它这个幅面有多宽,它是走过粉末床一次,它可以走的是一个是面,可以理解为是面打印,面打印跟点打印数量级是不一样的。大家应该也清楚,SLM 的激光烧结打印,你要做一个稍微大点的零件,很有可能就是几天几天的算,一搞就是三天五天也是很正常的,我们现在还没计算它打印完之后,还有一个要从基板上切下来的时间,热处理的时间,这个时间远远比BJ时间慢,打印的时间周期 BJ金属打印还是很有优势的。

打印出来的零件表面质量,精度怎么样?

我们直接测试烧结的金属零件,表面粗糙度可以达到Ra 3-6,3~6微米的一个级别,它跟金属MIM的零件比要差一些,应该是比SLM的表面质量会高一些。SLM零件打印出来的表面质量大概是在10微左右。我们做过测试,直接打304,316,经过后处理(抛光,打磨)之后可以达到镜面的效果,已经是能够满足大部分工业制造的要求,表面质量应该是不用担心的。

精度方面,就是打印精度。粘结剂喷射初坯里头,粉末床之间是有很多缝隙的,我们是靠粘结剂把它粘在一起的,缝隙在烧结的时候可以之间会融合,中间肯定是有收缩的,收缩怎么控制?我们采取的措施,主要就是有一些软件仿真,对这个零件一开始的结构尺寸进行一些仿真。另外我们为了减少它的变形,还有在它的各个方向上能够均匀的收缩,那我们就能有效地控制尺寸精度,在精度方面我们现在这个技术已经能够有效地控制它的尺寸精度也是没有问题的,也是不用过多地担心表面质量和精度方面的问题。

激光烧结的金属零件做一个是怎么收费的?

大家知道要么是加工时间,要么是按克来算。我们BJ金属可以用买白菜的单价,就是每公斤多少钱来算,数量级上可能也是不同的。我们这边举个案例,成本分析的比较粗,但是也具有一定的代表性。比如说一个大概190克不到200左右的零件,这个零件用普通的加工方法是比较难做的,中间有内部流道,客户是用传统精密铸造的方法来做的。尺寸也不大,大概是六七厘米,宽和高大概是4厘米多的样子。我们现在从材料,还有整个过程来分析的话,粉末粘接剂加起来,它的成本大概就在50多60多一公斤。这个是材料的成本,就是粘结剂在实际消耗来讲,它的比例是很小的。它的质量跟这个零件的质量比大概是在2%以下,有可能是1%左右。质量比很小,就是说大批量生产中过程中粘结剂的消耗跟材料的消耗,粘结剂基本可以忽略,我们核算出来的成本大概是55~65元/KG。接下来打印,固化,烧结都是要耗电的,这个能耗我们均算下来大概需要10-15元/KG,你前面投了这么多设备,设备成本得要分摊,我们分摊大概10余年来算,分摊下来要在公斤成本上面要加8-15元/KG。设备操作也需要人做,人工按照一个月16000元算合下来要十几元一公斤。粗略算下来我们大批量做这个零件,打印的成本大概就在85元,最低能得到80元这个级别。当然,现在我们去跟精密铸造的成本比还是偏高一些的,传统的精密铸造你去询价,一般零件它的公斤价格大概在60元左右。但实际精密铸造的东西还是要看你零件的批量,零件的批量大精密铸模具的成本就可以均摊在每一件上面去。同样的你用BJ 3D打印零件,它一样也是会把这些成本要分摊到里头去,当然精密铸造每公斤是没有算模具成本的。我们把这个数据分析拿给有需求的客户看,对价格的增高他认为是可行的。那为什么呢?首先精密铸造行业国家也是在缩减的,铸造是一个高能耗,高污染的行业,现在也是提倡要环保。很多小铸造厂可能都不让开了,另外还要考虑它的时间成本。做批量的时候,精密铸造从开模具开始做,出产品的时候可能就要20天甚至30天才能生产出第一件产品,而BJ打印首批量很快,交货周期会比精密铸造的交货时期要短,用户综合考虑下来对成本的增高是可以接受的。

现在BJ金属打印我们需要注意的一些问题,材料的一致性,材料的一致性是什么意思呢?BJ金属打印可能对材料的一致要求是比较高的。我们自己在测试实验的时候也遇到过类似的问题,比如说,我们从同一家粉末供应商厂家买来的同一种材料的粉,它的生产批次可能不一样,实际上我们整个的过程,烧结出零件的性能,指标会有一些不同。在整个材料一致的情况下,才可以保证它的批量生产过程中就不会出现有一些不该有的变化。

还有我们比较关心的一个问题,粉末的重复利用率,我的粉末床打印出零件,我清完粉之后,清下来的粉难道我就不要了吗?那肯定不行的,这个粉是要重复利用的,重复利用之后这个粉跟你这个新粉也要保持一致,这个一致性是比较重要的,BJ金属打印一致性是比较重要的。

还有就是设备方面打印一致性,铺粉后的粉末床质量一致。还有粘接剂饱和度,喷墨喷的粘结剂比较均匀,每个位置、浓度和量都是一致的,所有东西做到比较一致的情况下,整个工作缸里各个地方的打印的零件都一样,最后烧结出来的零件各种各样的性能也保持一致。

烧结一致性后处理一致性,包含的参数比较多了。烧结温度,不同的材料它有不同的烧结温度。时间曲线包含你在多少度,保温多长时间,烧结的时候有些情况下我们还要加一些助剂、浸渗剂,这些因素也是会影响到烧结的零件的。不同几何形状的初坯在烧结时的支撑方式和摆放方式也要保持一致,在大批量生产零件的过程中需要注意的一些怎么保证我们金属打印的一致性,我们所有得到的才是比较合适合格的零件。

什么样的材料适用于粘接剂喷射的金属打印?

对于金属材料而言,常温下不易氧化的金属粉末材料适用于BJ打印。我们试过了我们产品能打印出零件的材料。铁粉容易跟空气里的氧气起反应,它表面会有一层氧化物,氧化后容易还原的金属粉末。铁粉被氧化了之后,我们可以在它烧结的过程中用还原气体的方式把它里头氧元素置换出来了,它又可以还原成铁,所以铁粉是可以的,氧化后容易还原的金属粉末也是可以做的。我们常用的材料SS316L,SS304L,SS420,铁粉,17-4PH ,镍718。18Ni300,高熵合金,钨合金,铝镁合金,TC4,Cu,我相信随着产业链的不断完善,各种各样的粉末材料我们也会涉入更多,理论上来讲,我只要找到合适的粉末材料和合适的粘结剂,把烧结工艺搞清楚那万物皆可打印,但是现在是受限于这种技术。

什么样的零件适用于BJ金属打印?

经常是我们的用户拿了一个零件来了,那我们先要看能不能做。我们有一个初步的判定方法,每种技术有它技术不同的特点。有些时候你用激光熔融的技术,它有些零件可能也不好做,它里头涉及到支撑多不好去也是有挑战性的。对于我们BJ粘结剂喷射金属打印来讲,我们的技术特点,它是先做一个粘出来的粉末初坯,初坯的强度是比较低的,它必须再把初坯要把粉末这个余粉清完之后再去烧结。这种情况下就导致形状异常复杂,内部又有一些又细又长,或者里头拐弯比较多,你没办法把粉清理出来这些零件就没办法做。总体来说内部弯曲、细长有流道的,内部粉末清理不了的零件我们是不适合做的。

BJ金属打印技术的难点在哪些方面?

总体来说它跨的学科是比较多的,尤其是我们这边做装备的,需要懂软件,机械,计算机,化学,粘结剂,电子技术,金属材料,流动力学,冶金,热处理等多个基础学科,你要想把这些学科所有东西结合在一起,就体现在它这个难度上面来了。

BJ打印技术对材料、 粘结剂以及打印工艺( 包括粘结剂的喷射量、 粉末中的压力分布、 沉积时间等) 、 烧结制度、 零件设计等这种各方面都是缺一不可。你有一个环节如果没有处理好,最终得到合格的可以用的零件都是比较难的。它是整个一个链条,必须全部都是相辅相成 而且缺一不可的,这个技术发展起来难点还是挺多的。

BJ金属打印在未来制造中的定位是怎样的?

简单的零件用普通的减材加工,CNC,冲压这种传统工艺做出来,没必要去用3D打印做。复杂零件用BJ金属打印可行,但是现在幅面也有限。打印的幅面并不是太大,因为涉及到烧结。大型零件烧结需要的炉子可能配套也跟不上,大型零件可能还是要用传统工艺来做。还有就是高精度零件, BJ金属3D打印零件在非常高精度要求情况下,现在可能还是做不到的,需要再用BJ金属3D打印和传统加工的方式结合起来用的。我觉得这个定位呢,我们没有说它这个东西是完全取代了传统的做法,而是在我们新的零件加工制造领域当中它会有它的应用场景。而且是对一些传统制作方面不好做的东西是做一个有效的补充。总结来说,就是不大不小,十几公斤以内精密铸造的零件,很有可能在将来就会转向用粘结剂喷射3D打印金属零件的制造技术来做了。这是我们的一个判断,但是后面看这个技术的发展路线,可能也会有些变化,暂时还不好说。

BJ发展现状如何?

现在打印发展的现状可能有几个方面。粘结剂是一个比较关键的问题,粘结剂对不同粉末的粘结的稳定性,还有烧结的工艺、变形,残留都是比较关键的,就是说我适合金属A的粘结剂,不一定适合金属B。针对每一种金属粉末材料可能会有它适用的粘结剂,所以基础研究工艺的研究需要耗费的精力,时间,投入都是比较大的。所以粘结剂的质量是比较关键的,以这个粉末材料最后结合的稳定性,还有后面烧出产品起的作用是很大的,这是一个比较高的难点。

还有一个就是多喷头提升打印速度。现在我们用粘结剂喷射做的,砂型打印的那种多喷头已经常态了,简单理解我喷头用得越多我的幅面就越大,等于是我走一次走的面积就越大,速度可以大大提升,多喷头的技术我们现在也可以使用了,也是为什么我们可以说它是最适合生产,加多喷头之后效率又会更多的提高,它是比较适合零件的生产。

发展的现状,使用材料范围广,我们自己除了前面提到的那些材料的实验,工艺,制造之外,我们也接到了很多对各种其它粉末上不同材料的定制研发还有开发的需求,材料范围会越来越广,随着产业链的成熟,我相信越来越多的材料都可以用在BJ打印上面来。

烧结工艺也是一个保证质量的关键,烧完了,一个尺寸精度好不好控制,会不会变形,烧结了之后残留多不多,有没有问题,残留多了性能质量达不达到要求,烧结其实在我们粘结喷射里头是一个比较关键的技术指标。前面初坯打不好最后烧坏了还是等于零,这个零件还是不合格的,所以说各个工艺流程步骤都是相辅相成缺一不可的。

粘结剂喷射依靠粉末实现自支撑,粉末自支撑你就不需要在打印前面加一些支撑,它粉末床是托得住的。我们在控制复杂结构的,最后在烧结的时候要让它减少形变的时候,我们可能要用相应的就是同种粉末可能还会做一些支撑,但是它跟实体是不连接的,它是随形的,就是做一些支撑在烧结的时候防止它有过多的变形。粘结喷射金属打印机比较耐操,环境要求没有那么高,在普通环境下就可以实现打印机正常工作。

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