ExOne研发总监:粉末流动在3D打印中的重要性

来源:3D打印商情    关键词:3D打印,3D打印技术,3D打印运用,    发布时间:2019-01-26

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ExOne公司(ExOne)成立于2005年,作为Extrude Hone Corporation的衍生公司,是粘合剂喷射技术的全球领导者。该公司提供3D打印机、打印产品和相关服务,以帮助公司在现有制造业务中利用和集成3D打印。1996年,该公司获得麻省理工学院(麻省理工学院)开发的金属和沙子部件3DP(3D打印)工艺许可证。从那时起,该司开发并商业化了系统和材料,以最佳地满足汽车,航空航天,重工业和能源领域的应用。使用沙子,陶瓷和金属粉末进行打印是他们的核心专业领域。

而在这次访谈中,ExOne公司研发总监Andrew Klein跟大家讲述了粉末流动在3D打印中的重要性。

您能解释一下粘合剂喷射技术是如何工作的,主要的应用领域有哪些?

在粘合剂喷射中,液体粘合剂用于逐层选择性地连接粉末颗粒。该过程始于薄层粉末的扩散,打印头然后策略性地将粘合剂液滴沉积到粉末床中 - 就像在纸上喷墨打印一样 - 工作箱随后降低,并且另一层粉末被涂抹。粉末和粘合剂的逐步分层构成了完整的部分,未使用的粉末(约95%)被回收。

粘合剂喷射可用于打印各种材料,包括许多不同的金属,沙子和陶瓷。砂型铸件不需要进一步加工,但金属结构通常固化和烧结,如金属注射成型(MIM)。用互补材料渗透和/或热等规压制也可用于输送具有所需性能的成品部件。

与其他AM技术一样,粘合剂喷射对于降低产量尤其具有成本效益。例如,为了以每年约1,000,000份的速度生产小而复杂的部件,MIM通常是最便宜的选择,但是对于较低的体积,在每年200,000份或更少的地方,模具的成本将优势扩展到粘合剂喷射。但是,与任何部件一样,确切的生产量将取决于应用程序。

就独特的优点而言,粘合剂喷射在施工期间不会使用热量来熔化或焊接颗粒,从而避免残余应力的累积以及随后释放它们的任何要求。此外,显影部件由松散的粉末支撑,从而无需从构建板上移除部件。扩展速度通常优于替代AM工艺的速度,使整体构建速度具有很强的竞争力。这些优点加上可以灵活地打印非常大的物体,使得粘合剂喷射成为许多AM应用的最佳选择。

您使用哪种类型的金属粉末以及哪些属性可以定义其性能?

从历史上看,3D打印用于“形状和适合”,主要用于原型设计。随着向工业生产的转变,使用的金属粉末已经受到更严格的审查。我们拥有适用于各种行业的合格材料,我们最初的重点是不锈钢,我们将继续开发更多。我们经常使用的其他金属是工具钢,铜,铬镍铁合金和钨。

粒度分布是AM金属粉末的重要度量,特别是在烧结性能方面。转向更细的粉末可以降低达到一定烧结密度所需的温度和时间,降低坍落的机会和尺寸完整性的损失。通过SEM定量的颗粒形态也是关键的,因为粘合剂相容性我们通过向粉末样品中添加已知体积的粘合剂,观察沉入其中所需的时间,然后测试固化性能来评估。

但是,仅凭这些特性,我们无法确定粉末是否能很好地打印。这一点至关重要,因为除了为合格材料定义稳健的规格外,我们还经常面临与客户合作开发新材料的挑战。我们需要能够回答“我能用这种粉末打印吗?”这一问题。包括粉末测试和我们的其他表征技术使我们可以放心地这样做。

您使用什么粉末测试技术?为什么?

我们使用Freeman Technology的FT4粉末流变仪,我们已经使用了几年,我们用它来评估所用的每种粉末。 FT4的独特之处在于它可以测量动态,剪切和散装粉末特性,事实上,这三种类型的指标构成了我们的常规屏幕。

在动态参数方面,我们测量基本流动能量(BFE),稳定性和流量指数(FRI);这些都是由单一测试协议生成的。 BFE是当仪器的叶轮向下穿过粉末样品时测量的流动能量。稳定性测试包括在相同条件下重复测量BFE  - 因此它提供了粉末稳定性的指示 - 而FRI是通过在不同叶轮速度下测量BFE来确定的。我们使用仪器的剪切单元功能和可压缩性和渗透性的整体性质来测量内聚力和壁摩擦角。

如何使用粉末测试数据?您能否确定它提供的任何特定好处?

通过将打印性能与粉末测试数据相关联,我们开发了一种性能良好的粉末规格。如果我们正在考虑新的供应商或客户为我们带来了新的粉末打印,那么我们可以高度自信地确定它是否有效,如果是,如何处理它,只需从测试数据中获得。没有FT4,这是不可能的。这些相关性需要不断改进,每种新粉末都会添加到数据库中,但是它们很少能够保留。我们现在拥有一个高效的测试系统,为我们节省了大量的时间和精力。

一个很好的例证来自一个确定316L材料替代供应的项目。我们经常购买金属粉末以提供零件打印服务,并确定了一种价格低得多的316L粉末供应,以降低成本。两种粉末的粒度分布基本相同--Dv50为15.8c.f16.1μm,Dv10和Dv90的差异与形态相似。使用新粉末进行打印最初产生了良好的效果,但在随后的回收粉末运行中,质量下降。我们剥离了机器,再次启动,但同样的事情发生了。

用FT4测试显示两种粉末的稳定性显着不同。原始粉末的稳定性为1.03,这意味着重复测试时流动性质基本不变,而新供应的粉末则为1.52。 FT4可以检测不够稳固的粉末,以通过回收过程保持一致的流动性。基于该结果和其他粉末测试,1.2的稳定性值现在标记了可接受性的上限,因此在加工之前检测将以这种方式失效的粉末。

扩展ExOne AM技术应用的主要挑战是什么?

我想说,对粘合剂喷射的优点的理解正在增长,因此倾向于使用它。我们最近在我们的产品系列中添加了第三种合格的不锈钢 -  304L,以及之前发布的316L和17-4PH  - 我们正在努力引进其他材料。 FT4将在帮助我们实现这一目标方面发挥重要作用,而在其他项目中,我们必须确保流程性能的稳健性。目前的主题是湿度的影响。 FT4帮助我们了解湿度如何影响粉末特性以及延长工艺性能。

展望未来,我认为粘合剂喷射具有非常光明的前景。近年来,对3D打印的理解已经相当成熟。它现在是一种成功的工业制造技术,对它的好处有了更多的了解,相反,它不容易与现有的工业过程竞争。通过为客户提供专家支持和先进技术,我们可以确保粘合剂喷射与其他制造技术一起处于最佳位置。

注意:术语3D打印和增材制造(AM)在很大程度上可以在行业中互换使用,并且已经出现在本文中。

关于Andrew Klein

Andrew Klein是ExOne的研发总监。在此职位上,他为ExOne的打印机开发了高密度烧结金属,并领导公司的金属研发团队,以及其他工作。

Andrew在卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University)学习机械工程,在那里他从事机器人技术研究,专注于机器学习。他还获得巴克内尔大学机械工程学士学位。