重大進展：HP發明防止BJ金屬3D列印零件燒結變形的新技術
發佈時間：2023/07/17
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【概要描述】 粘結劑噴射金屬3D列印通過選擇性的在粉末床上噴射粘結劑來製造零件生坯，然後進行脫脂和燒結以實現材料冶金結合。在脫脂和燒結過程中，粘結劑燒盡，顆粒間發生頸縮，並且隨著燒結的進行，粘結橫截面積增加。粘結面積的增加導致生坯部件強度的增加。然而，由於高溫作用，零件整體拉伸強度受到影響，因此具有懸垂特徵的部件在重力作用下會發生扭曲或下垂。
用於避免零件下垂的傳統方法是添加支撐或使用陶瓷支架，3D列印技術參考注意到，HP實驗室的研究人員新開發了一種新穎的解決方案——一種形狀保持塗層，可以消除燒結過程中對支撐結構的需求。
零件在燒結時需要添加支撐物
研究人員將形狀保持塗層應用於銅和不銹鋼生坯部件並進行燒結，該塗層表現出在燒結過程中抵抗變形的能力。懸伸量為28mm的銅零件和懸伸量為33mm的不銹鋼零件在燒結後保持完整，成功抵抗了部分凹陷。塗層與零件表面形成冶金結合，在燒結過程中提供強度和穩定性。
為了確定銅和不銹鋼零件的變形/下垂情況，在無塗層保護的情況下，生坯部件在500-1040°C的溫度下進行了熱處理。銅生坯零件在氬氣和氫氣保護氣氛下以1040℃燒結4小時，不銹鋼生坯件於1370℃燒結2小時。結果顯示，銅燒結件的偏轉角為20°，不銹鋼燒結件的偏轉角為13°。
(a) 銅生坯件 (b) 出現嚴重下垂的燒結銅件 (c) 不銹鋼生坯件和 (d) 出現嚴重下垂的燒結不銹鋼件
形狀保持塗層的開發是為了防止燒結過程中的零件變形。將專為銅開發的SRSC-Cu塗層應用於生坯表面，在300°C下燒結1小時+500°C下2小時+650°C下1小時+1000°C下30分鐘，結果發現具有28mm懸伸的燒結零件保持完整，變形量極小。這些結果說明了SRSC-Cu塗層可以消除燒結過程中的零件變形。值得注意的是，零件表面的SRSC塗層可以通過噴砂來去除。另據報導，具有50mm懸伸的零件在燒結後也保持完整，沒有下垂。
帶有SRSC-Cu塗層的銅零件能夠抵抗燒結變形
通過對塗層生坯進行不同溫度的熱處理，研究人員能夠更好的理解無支撐燒結的機理。根據他們的發現，當在300°C下處理1小時+500°C處理2小時時，塗層與零件表面形成牢固的冶金結合，並避免下垂。同時，多級燒結有助於增加燒結頸結合的體積，為其自身提供強度。當塗層零件被加熱到600°C時，塗層中的化學反應會使其轉變為多孔網路，粘附在零件表面。相關研究報導了有30°、45°和60°角懸垂特徵的零件實驗結果，均成功抵抗了變形。
研究人員還研究了316L不銹鋼零件的無支撐燒結。為不銹鋼開發的SRSC鋼塗層應用於生坯表面，並進行燒結。結果顯示，不銹鋼零件在過程中也未出現抵抗變形的能力。在燒結的初始階段，SRSC成分冶金結合到零件表面，並提供必要的強度，以防止在重力作用下下垂。與SRSC Cu塗層類似，SRSC鋼塗層在燒結時會發生化學反應，反應產物與零件粘附較弱，經過清洗和噴砂處理後，沒有先前塗層應用的痕跡。
具有SRSC-Steel塗層的不銹鋼表現出抵抗燒結變形的能力
上圖：在多傾斜角度下抵抗變形；下圖：塗層可以誘導可控量的變形
在形狀保持塗層的開發過程中，發現某些塗層在燒結時會引起正變形，使零件產生抵抗重力移動並抵消零件下垂。通過優化的塗層配方，研究人員能夠調整零件的變形程度。研究展示了形狀誘導塗層可以在燒結過程中為銅生坯部件增加新的尺寸，研究人員將這種有趣的新現象描述為“粘結金屬4D列印”，因為3D列印的綠色零件在燒結過程中通過外部塗層轉化為新形狀，並能擴展來製造自組裝金屬結構。
總的來說，這項發明對於粘結劑噴射金屬3D列印具有重要的意義，在零件生坯具有能夠支持自動化清粉處理的強度前提下，變形是影響該技術落地應用的另一重大影響因素。該問題的解決，將進一步增加3D列印對於零件設計的自由度，並為粘結劑噴射金屬3D列印批量化應用帶來機遇。
相關專利推薦：US20220226892A1相關論文推薦：Support-free sintering of 3D printed binder jet copper and stainless steel parts’, pages. 1494–1505
源文摘自： AMReference
重大進展：HP發明防止BJ金屬3D列印零件燒結變形的新技術
【概要描述】 粘結劑噴射金屬3D列印通過選擇性的在粉末床上噴射粘結劑來製造零件生坯，然後進行脫脂和燒結以實現材料冶金結合。在脫脂和燒結過程中，粘結劑燒盡，顆粒間發生頸縮，並且隨著燒結的進行，粘結橫截面積增加。粘結面積的增加導致生坯部件強度的增加。然而，由於高溫作用，零件整體拉伸強度受到影響，因此具有懸垂特徵的部件在重力作用下會發生扭曲或下垂。
用於避免零件下垂的傳統方法是添加支撐或使用陶瓷支架，3D列印技術參考注意到，HP實驗室的研究人員新開發了一種新穎的解決方案——一種形狀保持塗層，可以消除燒結過程中對支撐結構的需求。
零件在燒結時需要添加支撐物
研究人員將形狀保持塗層應用於銅和不銹鋼生坯部件並進行燒結，該塗層表現出在燒結過程中抵抗變形的能力。懸伸量為28mm的銅零件和懸伸量為33mm的不銹鋼零件在燒結後保持完整，成功抵抗了部分凹陷。塗層與零件表面形成冶金結合，在燒結過程中提供強度和穩定性。
為了確定銅和不銹鋼零件的變形/下垂情況，在無塗層保護的情況下，生坯部件在500-1040°C的溫度下進行了熱處理。銅生坯零件在氬氣和氫氣保護氣氛下以1040℃燒結4小時，不銹鋼生坯件於1370℃燒結2小時。結果顯示，銅燒結件的偏轉角為20°，不銹鋼燒結件的偏轉角為13°。
(a) 銅生坯件 (b) 出現嚴重下垂的燒結銅件 (c) 不銹鋼生坯件和 (d) 出現嚴重下垂的燒結不銹鋼件
形狀保持塗層的開發是為了防止燒結過程中的零件變形。將專為銅開發的SRSC-Cu塗層應用於生坯表面，在300°C下燒結1小時+500°C下2小時+650°C下1小時+1000°C下30分鐘，結果發現具有28mm懸伸的燒結零件保持完整，變形量極小。這些結果說明了SRSC-Cu塗層可以消除燒結過程中的零件變形。值得注意的是，零件表面的SRSC塗層可以通過噴砂來去除。另據報導，具有50mm懸伸的零件在燒結後也保持完整，沒有下垂。
帶有SRSC-Cu塗層的銅零件能夠抵抗燒結變形
通過對塗層生坯進行不同溫度的熱處理，研究人員能夠更好的理解無支撐燒結的機理。根據他們的發現，當在300°C下處理1小時+500°C處理2小時時，塗層與零件表面形成牢固的冶金結合，並避免下垂。同時，多級燒結有助於增加燒結頸結合的體積，為其自身提供強度。當塗層零件被加熱到600°C時，塗層中的化學反應會使其轉變為多孔網路，粘附在零件表面。相關研究報導了有30°、45°和60°角懸垂特徵的零件實驗結果，均成功抵抗了變形。
研究人員還研究了316L不銹鋼零件的無支撐燒結。為不銹鋼開發的SRSC鋼塗層應用於生坯表面，並進行燒結。結果顯示，不銹鋼零件在過程中也未出現抵抗變形的能力。在燒結的初始階段，SRSC成分冶金結合到零件表面，並提供必要的強度，以防止在重力作用下下垂。與SRSC Cu塗層類似，SRSC鋼塗層在燒結時會發生化學反應，反應產物與零件粘附較弱，經過清洗和噴砂處理後，沒有先前塗層應用的痕跡。
具有SRSC-Steel塗層的不銹鋼表現出抵抗燒結變形的能力
上圖：在多傾斜角度下抵抗變形；下圖：塗層可以誘導可控量的變形
在形狀保持塗層的開發過程中，發現某些塗層在燒結時會引起正變形，使零件產生抵抗重力移動並抵消零件下垂。通過優化的塗層配方，研究人員能夠調整零件的變形程度。研究展示了形狀誘導塗層可以在燒結過程中為銅生坯部件增加新的尺寸，研究人員將這種有趣的新現象描述為“粘結金屬4D列印”，因為3D列印的綠色零件在燒結過程中通過外部塗層轉化為新形狀，並能擴展來製造自組裝金屬結構。
總的來說，這項發明對於粘結劑噴射金屬3D列印具有重要的意義，在零件生坯具有能夠支持自動化清粉處理的強度前提下，變形是影響該技術落地應用的另一重大影響因素。該問題的解決，將進一步增加3D列印對於零件設計的自由度，並為粘結劑噴射金屬3D列印批量化應用帶來機遇。
相關專利推薦：US20220226892A1相關論文推薦：Support-free sintering of 3D printed binder jet copper and stainless steel parts’, pages. 1494–1505
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粘結劑噴射金屬3D列印通過選擇性的在粉末床上噴射粘結劑來製造零件生坯，然後進行脫脂和燒結以實現材料冶金結合。在脫脂和燒結過程中，粘結劑燒盡，顆粒間發生頸縮，並且隨著燒結的進行，粘結橫截面積增加。粘結面積的增加導致生坯部件強度的增加。然而，由於高溫作用，零件整體拉伸強度受到影響，因此具有懸垂特徵的部件在重力作用下會發生扭曲或下垂。
用於避免零件下垂的傳統方法是添加支撐或使用陶瓷支架，3D列印技術參考注意到，HP實驗室的研究人員新開發了一種新穎的解決方案——一種形狀保持塗層，可以消除燒結過程中對支撐結構的需求。
零件在燒結時需要添加支撐物
研究人員將形狀保持塗層應用於銅和不銹鋼生坯部件並進行燒結，該塗層表現出在燒結過程中抵抗變形的能力。懸伸量為28mm的銅零件和懸伸量為33mm的不銹鋼零件在燒結後保持完整，成功抵抗了部分凹陷。塗層與零件表面形成冶金結合，在燒結過程中提供強度和穩定性。
為了確定銅和不銹鋼零件的變形/下垂情況，在無塗層保護的情況下，生坯部件在500-1040°C的溫度下進行了熱處理。銅生坯零件在氬氣和氫氣保護氣氛下以1040℃燒結4小時，不銹鋼生坯件於1370℃燒結2小時。結果顯示，銅燒結件的偏轉角為20°，不銹鋼燒結件的偏轉角為13°。
(a) 銅生坯件 (b) 出現嚴重下垂的燒結銅件 (c) 不銹鋼生坯件和 (d) 出現嚴重下垂的燒結不銹鋼件
形狀保持塗層的開發是為了防止燒結過程中的零件變形。將專為銅開發的SRSC-Cu塗層應用於生坯表面，在300°C下燒結1小時+500°C下2小時+650°C下1小時+1000°C下30分鐘，結果發現具有28mm懸伸的燒結零件保持完整，變形量極小。這些結果說明了SRSC-Cu塗層可以消除燒結過程中的零件變形。值得注意的是，零件表面的SRSC塗層可以通過噴砂來去除。另據報導，具有50mm懸伸的零件在燒結後也保持完整，沒有下垂。
帶有SRSC-Cu塗層的銅零件能夠抵抗燒結變形
通過對塗層生坯進行不同溫度的熱處理，研究人員能夠更好的理解無支撐燒結的機理。根據他們的發現，當在300°C下處理1小時+500°C處理2小時時，塗層與零件表面形成牢固的冶金結合，並避免下垂。同時，多級燒結有助於增加燒結頸結合的體積，為其自身提供強度。當塗層零件被加熱到600°C時，塗層中的化學反應會使其轉變為多孔網路，粘附在零件表面。相關研究報導了有30°、45°和60°角懸垂特徵的零件實驗結果，均成功抵抗了變形。
研究人員還研究了316L不銹鋼零件的無支撐燒結。為不銹鋼開發的SRSC鋼塗層應用於生坯表面，並進行燒結。結果顯示，不銹鋼零件在過程中也未出現抵抗變形的能力。在燒結的初始階段，SRSC成分冶金結合到零件表面，並提供必要的強度，以防止在重力作用下下垂。與SRSC Cu塗層類似，SRSC鋼塗層在燒結時會發生化學反應，反應產物與零件粘附較弱，經過清洗和噴砂處理後，沒有先前塗層應用的痕跡。
具有SRSC-Steel塗層的不銹鋼表現出抵抗燒結變形的能力
上圖：在多傾斜角度下抵抗變形；下圖：塗層可以誘導可控量的變形
在形狀保持塗層的開發過程中，發現某些塗層在燒結時會引起正變形，使零件產生抵抗重力移動並抵消零件下垂。通過優化的塗層配方，研究人員能夠調整零件的變形程度。研究展示了形狀誘導塗層可以在燒結過程中為銅生坯部件增加新的尺寸，研究人員將這種有趣的新現象描述為“粘結金屬4D列印”，因為3D列印的綠色零件在燒結過程中通過外部塗層轉化為新形狀，並能擴展來製造自組裝金屬結構。
總的來說，這項發明對於粘結劑噴射金屬3D列印具有重要的意義，在零件生坯具有能夠支持自動化清粉處理的強度前提下，變形是影響該技術落地應用的另一重大影響因素。該問題的解決，將進一步增加3D列印對於零件設計的自由度，並為粘結劑噴射金屬3D列印批量化應用帶來機遇。
相關專利推薦：US20220226892A1相關論文推薦：Support-free sintering of 3D printed binder jet copper and stainless steel parts’, pages. 1494–1505
來源：3D列印技術參考
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「普立得科技將在2025年之內，達到影響台灣半數工程師體驗過工業等級3D列印材料在工廠實際應用落地的目標。因為我們相信每多一次3D列印就能推動台灣製造產業著「數位智造工業4.0」起飛，如同平凡但執著的萊特兄弟相信人類可以飛行的夢想一樣」堅持不懈。
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