维捷（Voxeljet)：维捷助力喷墨粉末粘结打印，材料开发和批量生产

导读：2022年12月20日开展的“增材制造Binder Jetting粘结剂喷射成形技术论坛”云集了惠普、易制、三帝科技、维捷、Desktop Metal、Digital Metal等众多厂商。在此次增材制造Binder Jetting粘结剂喷射成形技术论坛上，国内外知名的几个相关厂商做了非常有深度的分享交流。来自维捷（苏州）三维打印有限公司的销售总监王泽利以”维捷助力喷墨粉末粘结打印-材料开发和批量生产“为题展开了分享。目前的BJ技术中材料开发的现状是什么？批量化生产面临着哪些问题？让我们听一听王泽利是如何做出解答的。



王泽利主要从四个方面进行介绍，包括维捷（voxeljet)公司介绍、材料开发、批量应用和技术总结。

一、公司介绍



Voxeljet是一家德国公司，总部在德国奥克斯堡，于2013年10月上市，是喷墨砂型3D打印技术发明人，引领着全球喷墨砂型3D打印技术，拥有超过400项发明专利。而且独有PMMA粉末喷墨粘结打印技术，可以用于原型开发和精密铸造。

维捷中国公司是德国维捷的中国总部，主要生产VX2000设备，供应全球市场。同时具有本地化备品备件库和本地化技术服务团队。中国维捷也销售德国维捷全系列3D打印系统，为中国客户提供本地化砂型、蜡型、聚合物粉末打印服务。

技术优势主要体现在四个方面：



●材料：开发了不同材料，有砂型材料、PMMA粉末、陶瓷和HSS四大块，种类很多。
●尺寸：拥有市场上最大的3D打印系统，具有4m的尺寸，同时正开发更大的10m的打印机。
●速度：拥有行业中较快的打印速度，每层打印时间可缩短至4s。
●效益：通过本地化服务和速度的提升，具备一定的成本效益。

维捷的愿景是通过高速、大幅面3D打印机和按需零件服务，实现经济高效的批量生产。

二、材料开发应用
由于砂型材料和PMMA材料主要用途是用来做铸造，打印的是开发过程模具而不是最终产品，所以材料开发部分重点有两个：HSS高速烧结工艺开发聚合物粉末和3DP工艺开发陶瓷材料

HSS高速烧结工艺开发聚合物粉末

什么是HSS工艺？
传统的激光粉末烧结技术是采用单点的激光熔化粉末状的聚合物粉末，整个打印速度比较慢，价格成本也很高，因此，开发了HSS高速烧结技术，希望3D打印能够具有规模化生产的一个能力，整体工艺流程如下：



1. 铺设一层聚合物粉末
2.喷墨打印头在需要沉积的地方沉积能有效吸收红外线的特殊油墨。
3.用红外线照射需要烧结的部分，从而令油墨吸收足够的能量，融化材料粉末，实现固化
4.重复以上步骤，直至整个物体打印完成。

HSS技术优势？



●打印速度快，在批量制造方面有明显优势，甚至可以媲美传统的铸造工艺。
●融化粉末的速度比激光加热慢10,000倍，从而减少对材料的破坏，提高烧结质量。
●材料的选择范围更广：有些材料很难或者是无法通过激光加热烧结，但是使用HSS技术可以实现。
●可以使用100%的回收粉末，却不会造成打印件表面的粗糙，同时加工过程中也不需要富含惰性气体的环境。
●使用压电式工业打印头，可以使用水基、油基、醇基的粘结剂，粘结剂和粉体材料选择范围广。

适用于材料开发的原因？
●合适的设备



●合适的技术



●维捷专业的材料认证团队



●材料开发联盟
维捷与多家知名材料机构、研究所、学校等建立了很好的关系。



●材料和设备是否有批量生产的前景



3DP工艺开发陶瓷材料



在陶瓷开发领域，维捷主要和日本的AGC进行合作，开发了有SiC、SiO2、AL2O3等材料，可以实现无需支撑结构，没有几何节后限制，但是孔隙度较高，有40%-60%，并且强度有限，需要烧结工艺。针对陶瓷开发，维捷共有三大工艺路线：
1. 依靠树脂的打印工艺，混合液态固化剂，打印头喷出树脂
2. 依靠无机的粉末材料，在砂里面混固态的液化剂，硅酸盐成分，打印头喷出水，运用传统水玻璃路线做固化。
3. 采用酚醛树脂工艺，打印头喷出酚醛树脂，打印头用加热固化的方式。

三、批量应用



批量应用-HSS
●维捷拥有开源系统实现了打印的灵活性，能够使用户轻松访问工艺参数
●打印机具有高度、大尺寸的特点，而且集成了自动粉末回收系统
●多个系统能够高效互连，自动化程度高，具有自动去粉等后处理

HSS批量应用生产包括以下几个方面：






●批量零件：需要有稳定的打印系统，3D打印经过优化，可实现最高生产速度。
●中小批量生产：主要应用于灵活的批量生产中，比如工厂中的临时通知的活。
●原型和预生产：可以及逆行无支撑结构打印和大型零件的预制造，更加灵活。

批量应用-PMMA
●无人机二冲程发动机


利用PMMA技术制造的此款发动机在制造速度和价格上与传统铸造技术相比很有优势。PMMA对于一些复杂的，附加值高的产品，也可以做批量化的生产。PMMA的整个过程和传统的精密铸造一致，唯一的区别是脱蜡时不能完全脱出，很多的高分子材料是通过焙烧的方式清理出来的。精密铸造容易出问题的环节是精密铸造，而PMMA最大的特点是，脱蜡时不会出现热膨胀，不会造成壳膜的开裂。



●航空发动机叶片



PMMA打印具有一定的强度，可以打印很薄的零件，精细特征也会比较高。

●进气歧管


成本有100多块钱，从速度和成本来看，可以做中小批量的生产。

选择PMMA打印量产的原因？
1.维捷采用的是3DP，打印头有多达几千个喷嘴，效率比SLS和SLA高的多。
2.适用于600dpi的分辨率，最小细节特征可以做到0.4mm，0.5mm的微孔。细节特征好，尺寸精度高。
3.PMMA材料为传统精密铸造，支撑蜡的主要成分，和传统精密铸造的兼容性好。
4.设备成型尺寸大
5.PMMA蜡膜的结构疏松，热膨胀系数为负，脱蜡时不会涨壳。

批量应用-砂型铸造



考虑3D打印砂型+铸造的原因？
●环保
●人工：人工价格上涨，以及技术工人短缺
●国家限电
●国外竞争：高端产品供应链本地化，低端产品来自印度等供应商的竞争
●铸件结构优化：包括逐渐薄壁化、复杂化和集成化。

王泽利还介绍了目前喷墨3D打印的技术优势，可以概括为大、多、快、省、灵活，而且此种技术已经倍铸造行业认可，并被广泛接受。但同时喷墨3D打印还有一些技术痛点，比如设备稳定性较差，砂型质量一致性差，打印头昂贵，成本较高等。下面我们看看3D打印砂型铸造的一些应用



●3D打印-宝马批量化生产线



维捷和多家机构合作，主要为宝马打造一条批量化生产的生产线。宝马的自动化生产线集成了五套VX1300X系统，每年可以打印十几万个零件。可以实现每分钟制作一个砂芯，尺寸精度高达±0.1mm。此次3D打印技术的引用为产品带来了附加值的增长。



四、总结

●VX200打印机特别适合材料开发
●喷墨3D打印技术用于量产正逐步成为现实
●根据用户产品需求，选择合适的3D打印和自动化技术是成功应用的关键。

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