惠普多射流熔融(MJF:Multijet Fusion)工艺概述

3D打印行业可以被描述为一个小池塘,市值数十亿美元的Stratasys和3D Systems就是这个池塘里的大鱼。但池塘旁边有一个满是鲸鱼的海洋,比如欧特克、空中客车、微软、通用电气等。几年前,池塘和海洋之间的那堵墙被破坏掉了,随之而来的鲸鱼都想要称霸这个“小池塘”(已经不小了)。

最近高调进入3D打印水域的鲸鱼是惠普,就是那个做喷墨、激光打印机的,还做电脑的惠普。

3D打印格局

图1 3D打印格局发展趋势

一、惠普3D打印机成型原理

惠普所用的3D打印技术为多射流熔融(Multijet Fusion),其成型步骤如下:

1)铺设成型粉末;

2)喷射熔融辅助剂(Fusing agent);

3)喷射细化剂(Detailing agent);

4)在成型区域施加能量使粉末熔融。

重复1)——4)过程直到所有切片加工结束,注意喷射细化剂的区域并没有被熔融。

惠普3D打印

图2 惠普MJF技术过程示意图

下面是惠普3D打印机的全套设备,从左至右依次是MJF 3D打印机、构建单元、处理站。

惠普3D打印

图3 惠普3D打印系统组成

HP打印机的核心是位于工作台上的两个模块:分别叫做“铺粉模块”和“热喷头模块”。“铺粉模块”是用来在打印台上铺设粉末材料的。

惠普3D打印

图4 铺粉模块

“热喷头模块”则是用来喷射“熔融剂”和“细化剂”这两种化学试剂的,而该模块正是惠普这款打印机的最大亮点 — 它能以每秒每英寸3000万滴的量喷射这两种试剂。

惠普3D打印

图5 热喷头模块

实际的打印过程如下图所示:“铺粉模块”会首先上下移动铺设一层均匀的粉末。然后,“热喷头模块”会左右移动喷射两种试剂,同时通过两侧的热源加热融化打印区域的材料。这个过程会往复进行,直至最后打印完成。

惠普3D打印        惠普3D打印

图6 热喷头模块喷射两种试剂并加热

需要指出的是,“助熔剂”会喷射到打印的部分(即打印对象的横截面),作用是让粉末材料充分融化;“精细剂”则会喷射在打印区外边缘,起到隔热作用。这样一来,不仅能保证没有打印的粉末保持松散的状态,提高粉末的再利用率(80%,而普通SLS在利用率大约是50%),还能保证打印层表面光滑,提高打印件的精细度(想想A4纸的光洁度)。下面放大看看HP打印机的过程模拟:

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图7 惠普3D打印机成型过程模拟

二、惠普3D打印机的优势

1)加工速度快。惠普3D打印机的第一大亮点是速度快,据说可超过普通技术的10倍。下图就是以打印齿轮为例的速度对比,可以看到同样耗费3小时,左侧的挤出技术(其实就是FDM熔融沉积)只打印出了36个;中间的激光烧结(SLS)技术则略好,打印出了79个;但右侧的惠普多喷射熔融(MJF)技术却足足打印出了1000个!

惠普3D打印

图8 MJF与其他工艺打印速度对比

2)打印件质量高。下面就是一个小小验证,用打印的椭圆形结构吊起了一辆汽车。这个结构打印只用了30分钟,重1/4磅(约113克),却可提起最高5吨的重量。

惠普3D打印

图9 惠普打印件承重测试

3)高精度。打印机喷头可以达到1200dpi的精度,考虑到粉末的扩散,在XY方向的精度可以达到约40微米。

三、惠普3D打印机的劣势

1)材料限制。现在可用材料为尼龙12(PA12),而更多可用材料取决于HP对于细化剂的开发;对于金属器件的打印,可能无法使用一体机,因为直接在设备内部进行烧结/熔融需要的高温会影响电子器材包括喷头的运行。

2)材料污染。在喷射了细化剂的区域,粉末并没有被烧结,有可能造成粉末的污染(因为这些喷射了细化剂的粉末如果被后续用在成形区域可能不会被熔融)。

3)颜色限制。HP所用的熔融辅助剂包含了可以吸收光波的物质(可能为炭黑等深色材料),因而所展示的样品为深色;而打印白色等浅色可能会降低能量吸收,从而会增加成形时间,有可能导致无法成形;对于全彩器件的打印,同时需要考虑色素的耐高温能力。

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