Binder Jetting 粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)，通過(guò)將金屬粉末與粘結(jié)劑層層粘結(jié)成為零件毛坯，再經(jīng)過(guò)脫脂燒結(jié)過(guò)程制造成金屬零件的間接金屬3D打印技術(shù)。

這種生產(chǎn)系統(tǒng)與粉末冶金（包括金屬注射成型工藝，MIM）頗有近親的感覺(jué)，然而其制造過(guò)程中并沒(méi)有使用模具。這種技術(shù)將使制造商能夠顯著降低其成本，從而使該技術(shù)成為鑄造的替代技術(shù)。

根據(jù)白令三維的市場(chǎng)觀察，這一間接金屬3D打印工藝引起了汽車制造商的興趣，例如大眾汽車將使用惠普的粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)，首先進(jìn)行大規(guī)模定制和裝飾部件的制造，并計(jì)劃盡快將通過(guò)該技術(shù)制造的結(jié)構(gòu)部件集成到下一代車輛中，并著眼于不斷增加的部件尺寸和技術(shù)要求。

然而，在粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)走向規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用之前，有效控制燒結(jié)變形是必須要解決的問(wèn)題。通過(guò)仿真軟件進(jìn)行燒結(jié)變形控制替代反復(fù)試錯(cuò)與經(jīng)驗(yàn)判斷，是粘結(jié)劑噴射金屬3D打印領(lǐng)域展現(xiàn)出的明顯趨勢(shì)。

根據(jù)白令三維的市場(chǎng)觀察，粘結(jié)劑噴射金屬3D領(lǐng)域的獨(dú)角獸企業(yè)Desktop Metal 近日推出了用于燒結(jié)變形控制的仿真軟件-Live Sinter。該軟件將首先交付給其車間系統(tǒng)Shop System（2020年底交貨）和生產(chǎn)系統(tǒng)Production System （2021年交貨）的用戶使用。

燒結(jié)的挑戰(zhàn)

燒結(jié)是基于粉末冶金制造工藝（包括粘結(jié)劑噴射金屬3D打�。┲械年P(guān)鍵步驟。燒結(jié)過(guò)程將零件加熱至接近融化以賦予其強(qiáng)度和完整性，但此過(guò)程通常會(huì)使零件收縮，相對(duì)于其原始3D打印或模制尺寸收縮可達(dá)20％。在燒結(jié)過(guò)程中，支撐不當(dāng)?shù)牧慵�還會(huì)面臨很大的變形風(fēng)險(xiǎn)，從而導(dǎo)致零件從爐子中破裂、變形或需要昂貴的后處理才能達(dá)到尺寸精度。

幾十年來(lái)，燒結(jié)變形一直是粉末冶金行業(yè)的現(xiàn)實(shí)。在大部分時(shí)間里，解決方案一直是由經(jīng)驗(yàn)豐富的人通過(guò)反復(fù)的試錯(cuò)和經(jīng)驗(yàn)，將零件設(shè)計(jì)調(diào)整與各種燒結(jié)支撐物或“固定器”結(jié)合在一起，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的大批量生產(chǎn)。

改變游戲規(guī)則

根據(jù)Desktop Metal, Live Sinter 仿真軟件將通過(guò)*大程度地減少對(duì)試驗(yàn)和錯(cuò)誤的依賴，通過(guò)仿真技術(shù)來(lái)改變游戲規(guī)則。有了該軟件的加持，用戶無(wú)需成為粉末冶金專家，也能夠制造準(zhǔn)確的零件。

Live Sinter 不僅可以糾正燒結(jié)過(guò)程中通常會(huì)遇到的收縮和變形，而且還為將減少粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)制造復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)，通過(guò)改善燒結(jié)零件的形狀和尺寸公差，提高復(fù)雜幾何形狀零件的*成功率，并復(fù)雜幾何形狀零件的*成功率。

Desktop Metal 稱，在許多情況下，該軟件甚至可以支持在不使用支撐/定位器的情況下進(jìn)行零件燒結(jié)。

“負(fù)偏移”幾何可補(bǔ)償失真

Live Sinter 可以針對(duì)多種合金進(jìn)行校準(zhǔn)。它可以預(yù)測(cè)零件在燒結(jié)過(guò)程中會(huì)發(fā)生的收縮和變形，并自動(dòng)補(bǔ)償這種變化，從而創(chuàng)建“負(fù)偏移”幾何形狀，打印完成后將燒結(jié)到原始預(yù)期設(shè)計(jì)的規(guī)格。軟件可以在特定方向上以*的數(shù)量主動(dòng)對(duì)零件的幾何形狀進(jìn)行預(yù)變形，從而使其在燒結(jié)時(shí)能夠達(dá)到預(yù)期的形狀。

燒結(jié)仿真是一個(gè)復(fù)雜的多物理場(chǎng)問(wèn)題，涉及建模零件和材料如何響應(yīng)多種因素，包括重力、收縮率、密度變化、彈性彎曲、塑性變形、摩擦阻力等。此外，在燒結(jié)過(guò)程中發(fā)生的熱力學(xué)和機(jī)械轉(zhuǎn)變是在強(qiáng)烈的熱量下發(fā)生的，因此，如果不中止燒結(jié)過(guò)程或觀察高溫拍攝圖像的變形，就很難觀察到它們。

但這類方式在新產(chǎn)品研發(fā)應(yīng)用中或許能夠被接受，但由于嚴(yán)重延遲了生產(chǎn)時(shí)間，這類方式在批量生產(chǎn)應(yīng)用中則難以被接受。

Live Sinter 軟件旨在應(yīng)對(duì)燒結(jié)中的挑戰(zhàn)，為增材制造工程師提供快速且可預(yù)測(cè)的燒結(jié)結(jié)果。根據(jù)Desktop Metal的數(shù)據(jù)，仿真結(jié)果可在五分鐘內(nèi)完成，而負(fù)偏移幾何形狀則可在二十分鐘內(nèi)完成。

高速仿真

Live Sinter 能夠?qū)�燒結(jié)進(jìn)行高速仿真預(yù)測(cè)，與GPU和簡(jiǎn)化的校準(zhǔn)有關(guān)。

Live Sinter 在GPU加速的多物理引擎上運(yùn)行，能夠?qū)��?shù)十萬(wàn)個(gè)連接的粒子質(zhì)量與剛體之間的碰撞和相互作用進(jìn)行建模。多物理引擎的動(dòng)態(tài)仿真使用集成的無(wú)網(wǎng)格有限元分析（FEA）進(jìn)行了改進(jìn)，該分析可計(jì)算零件幾何形狀之間的應(yīng)力、應(yīng)變和位移，不僅用于預(yù)測(cè)收縮和變形，還可以預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)和故障。在開(kāi)始進(jìn)行基于燒結(jié)的零件增材制造之前，就驗(yàn)證其可行性。

借助這種在速度和精度之間取得平衡的雙引擎方法，與使用復(fù)雜網(wǎng)格并需要復(fù)雜設(shè)置和工時(shí)才能完成的通用仿真工具相比，Live Sinter 可以在五分鐘內(nèi)模擬一個(gè)典型的燒結(jié)爐周期，并生成負(fù)的偏移幾何形狀，在二十分鐘內(nèi)補(bǔ)償收縮和變形。此外，該軟件可以與新材料和燒結(jié)硬件、工藝參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)兼容。

Live Sinter 燒結(jié)工藝仿真軟件除了在2020年第四季度起向Desktop Metal的粘結(jié)劑噴射金屬3D打印系統(tǒng)用戶提供之外，還可能向任何基于燒結(jié)的粉末冶金工藝提供。

白令三維

與PBF基于粉末床的選區(qū)激光熔化金屬3D打印工藝相比，Binder Jetting粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)具有幾個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：更具經(jīng)濟(jì)性的粉末材料（類同于MIM工藝所用的金屬粉末材料）；高效的打印速度適合大批量生產(chǎn)應(yīng)用，包括汽車、飛機(jī)零件、醫(yī)療應(yīng)用。

Binder Jetting粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)與幾乎所有其他金屬3D打印工藝相比都是*的，因?yàn)樵?D打印過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。這使得高速打印成為可能，并避免了金屬3D打印過(guò)程中的殘余應(yīng)力問(wèn)題。

Binder Jetting粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)將熱加工過(guò)程轉(zhuǎn)移到燒結(jié)步驟，這使得更容易管理熱應(yīng)力，因?yàn)闊�結(jié)溫度低于其他類型的金屬3D打印工藝中所需的完全熔化溫度，并且熱量可以更均勻地施加。然而，這并不能完全消除溫度梯度和產(chǎn)生殘余應(yīng)力的挑戰(zhàn)。

Binder Jetting粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)有可能取代小批量，高成本的金屬注射成型，還可以用于生產(chǎn)其他領(lǐng)域復(fù)雜而輕便的金屬零件（例如齒輪或渦輪機(jī)葉輪），大幅降低3D打印成本，并縮短交貨時(shí)間。

但管理和補(bǔ)償燒結(jié)階段發(fā)生的大量收縮是Binder Jetting粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)面臨的*大挑戰(zhàn)之一。零件在爐內(nèi)收縮30-40％，線性收縮15-20％。如果零件很小并且壁厚均勻，那么收縮是可以預(yù)測(cè)的。

然而，不同厚度的大型零部件的燒結(jié)過(guò)程會(huì)對(duì)幾何形狀產(chǎn)生非常復(fù)雜的問(wèn)題。根據(jù)白令三維的市場(chǎng)研究，燒結(jié)收縮目前嚴(yán)重限制了Binder Jetting粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)適用的幾何形狀和應(yīng)用類型。

根據(jù)白令三維的市場(chǎng)觀察，這些粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)的短板正在仿真軟件的發(fā)展中逐漸消失。國(guó)際上，通用仿真軟件企業(yè)和基于燒結(jié)的間接金屬3D打印技術(shù)企業(yè)都將燒結(jié)仿真技術(shù)推向了市場(chǎng)。

白令三維通過(guò)谷透視文章《Simufact推出了金屬粘結(jié)劑噴射（MBJ）仿真技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)》與《間接金屬3D打印零件變形與收縮難以控制？AI軟件或?qū)⒔鉀Q這一難題》進(jìn)行了跟蹤與分析。

當(dāng)制造商希望利用粘結(jié)劑噴射等基于燒結(jié)的間接金屬3D打印技術(shù)的靈活性進(jìn)行批量生產(chǎn)時(shí)，仿真揭開(kāi)了燒結(jié)過(guò)程的“神秘面紗”，成為這類間接金屬3D打印技術(shù)走向生產(chǎn)的關(guān)鍵“伴侶”。