粘合剂喷射3D打印高 DPI 不等于高质量的五个原因

文章出处：ExOne
翻译：武汉易制科技


粘合剂喷射领域最大的误解之一与一个看似简单的指标有关：dpi，或每英寸点数。顾名思义，dpi 是一种实际测量值，可准确表示打印头每英寸可以产生多少墨滴。更高的 dpi 值等同于更高的最终零件精度和表面分辨率， 这种假设是 3D 打印领域中一个常见的误解——而这种观点错误的程度跟聚合物打印领域的一种错误观点差不多：更薄的层自动等于更高的质量。（事实并非如此！）在这两种情况下，还有一系列其他考虑因素。

所以，让我们谈谈 dpi。为了就该主题进行有趣的讨论，我们联系了 ExOne 技术研究员 Dan Brunermer，他是粘合剂喷射领域的世界领先专家。他从 2001 年开始从事这项工作。他开发了一种早期的金属粘合剂喷射系统 R2，该系统今天仍在生产中使用。

“嗯，第一个问题是粉末，” Dan解释道，“如果你没有粉末来保持 dpi 的真实性，那这个dpi也没啥用”。

理由一：粉末
与在纸上打印不同，粘合剂喷射系统中的打印头是在粉状材料上进行打印：金属、沙子或其他陶瓷。正如 Dan解释的那样，这些粉末并不都是大小相同的完美小圆形物。

从微观上看，一堆粉末具有一系列特征，包括圆形或球形、非球形（包括有角和多面颗粒）。更重要的是，粉末颗粒并不都是相同的大小。粉末呈分布状态，通常为 D50，其中一半粉末直径高于某个值，另一半粉末低于某个值。对于 22 微米的 D50，一半的颗粒低于该数值，另一半高于该数值。

更重要的是，当你把一袋粉末放进机器时，粉末会自行排列或挤进去，这种方式就像一堆大小不同的弹珠放在玻璃杯里，小弹珠挤进大弹珠之间的空间。确切地说，这是一个混合体。

粘合剂喷射中打印头的目的听起来很简单：用足够的能量将足够的粘合剂滴在这些颗粒上，使它们在X、Y和Z方向上完全湿润或饱和，这样它们就能在需要的地方精确地结合相邻的粒子。

在微观层面上，这意味着粘合剂必须撞击这个混合的颗粒袋，基本上用粘液把每个粒子单独包围起来，这样它就会粘在相邻的粒子上。根据你要打印的粉末，你的打印头可能还需要处理一定范围的粘合剂粘度。有些粉末偏爱较薄的粘合剂，有些偏爱较厚的粘合剂。

现在，进行一些数学运算。1200dpi打印头是目前工业打印头中使用频率最高的打印头之一。这个打印头产生的每一个液滴相当于21.17微米，大约是人类头发横截面的一半。

那么，让我们假设你使用一个1200 dpi的打印头将粘合剂打印到一个D50为30微米（标准加工的增材制造金属粉末）的金属粉末床上，粘合剂在碰到粉末颗粒时，是否能保持 1200 dpi 的公差？

不。那是因为一半的单个粒子本身实际上比喷射在它们上面的液滴还要大。在这种情况下，布鲁纳默解释说：“你实际上是在浪费dpi。Dpi精度再高，也没有用。”

原因二：层厚
好的，让我们换一个例子，假设粉末尺寸对于我们的 1200 dpi 打印机来说不是问题。想象一下，我们使用 D50 为 9 微米的粉末，最大粒径约为 14 微米，远低于 21.7 微米的粘合剂液滴尺寸。现在，我们要打印一个常见的层厚：50 微米。我们会在打印床上保持 1200 dpi 的精度吗？

在 X 和 Y 中，答案是暂定的。（稍后会详细介绍）。但是 在 Z 向，dpi不会保持——因为 50 微米的层相当于 508 dpi。要在垂直方向保持 1200 dpi，您需要 21.7 微米或更小的层厚度，这会使需要打印的层数增加一倍。

最终，这也会使你的工作速度降低50%以上，因为打印头必须跑两次以上才能达到与50微米层相同的高度。如果你想以合理的速度和层厚打印，Dan解释说:“你肯定不会选择1200 dpi的体素。”

理由三：粉末压实
好的，现在让我们假设我们有合适尺寸的粉末和层厚，可以保持 1200 dpi 的真实性。现在，你必须确保每个粉末层在整个粉床上都很一致，且压实水平很高。如果你不熟悉用大约 9 微米的 D50 的粉末进行打印是否容易，我可以举个例子，这就好像做蛋糕一样，当你把面粉倒出来时会团聚在一起。当你试图铺开它，它会形成云状物。

它需要一个高度工程化的粉末管理系统，具有极高的精度和控制力来分配、铺平和压实您的超细粉末，以保持任何 dpi。

无论粉末大小如何，这对于保持 X、Y 和 Z 方向的 dpi 至关重要。如果你的粉层一层又一层的不能保持一致和紧密，你可能就像在一张有洞的纸上打印1200 dpi的粘合剂，因为这些小颗粒不能紧密地聚集在一起吸收粘合剂。

布鲁纳默解释道，“如果你的粉末不一致、不致密，粘合剂就会渗入缝隙中，分辨率就会损失”。更糟糕的是，最终的形状在微观结构上不会很致密和完好，而且实际上不会很好地烧结成金属零件。“压实是烧结成功的重要预测因素，”DAN说。“粘合剂喷射零件的生坯高致密度意味着更少的收缩、更少的变形和更严格的公差。”

原因四：喷头位置控制
有时，精度过高可能是一件具有挑战性的事情。这就是为什么用散弹枪射击目标比步枪更容易的原因。（散弹枪追求一种广度，而不是一种精度）

如果你有一个超精密的1200 dpi打印头，你必须确保每一个液滴都准确地击中数字位图目标中的X和Y位置。此时，软件、机械控制及其相互作用至关重要。

如果您有一个高 dpi 打印头和一个不达标的系统来将您的 21.7 微米超细墨滴输送到打印床中准确的 X、Y 位置，那么您实际上并不能达到目的。在这一点上，较小的墨滴实际上对控制系统提出的挑战更大，因为它们容错的空间更小。

正如 Dan 所说，“如果我没有精确到20微米以内的驱动器，1200 DPI并不重要。如果我没有办法能正确地找到这所有1200滴墨水的位置，那么1200 DPI也不重要。”

原因五：墨滴质量
现在，让我们假设我们有合适的粉末、层高和管理粉末的系统，并精确对准打印头。一切都已准备就绪，可以输出和接收 1200 dpi 墨滴，这样就能保持dpi了吗？

你是否知道并非所有 1200 dpi 打印头都能提供相同质量的 21.7 微米墨滴？液滴可以以不同的形状和能量或速度水平输送。“奇怪的是，”DAN解释说，“我们在研究中发现，不太完美的液滴可以生产出更好的零件。这叫粘合剂喷射，不是粘合剂掉落，对吧？”

“如果你仔细观察喷嘴的工作原理，它喷射一些质量和能量都足够好的细流，从而真正渗透到颗粒中。如果液滴太慢或太小或能量太少，它只会从粉末表面反弹。实际上，我们试图让我们的墨滴更像是喷射，而不是液滴。”

结论
这五个原因只是 dpi 不能代表粘合剂喷射 3D 打印质量的几个原因，我们甚至还没有谈到在最后的金属烧结阶段如何保持dpi。

那么，确定粘合剂喷射系统质量的最佳方法是什么？

“最终的答案是拥有一个考虑到所有这些变量，从而构建、设计和优化的完整系统”，Dan 说。“真正的关键不是任何一个特定的数字，而是了解整个系统如何运作以及整个过程如何协同工作，才能真正让你获得高分辨率、高重复性的零件。”

为了真正比较粘结剂喷射系统的精度和表面光洁度，最好的方法是用竞争系统打印你的零件，并比较基准。