多喷射融合3D打印（MJP）：原理、打印机、应用、材料以及替代方案

多射流融合 (MJF)在3D打印领域属于相对较新的技术，但在短短几年内，MJF已经开始迈向工业化。如今，MJF被制造商广泛采用，是一种可靠的零件制造技术，适用于汽车零件、工厂工具、骨科支架以及消费品等各种产品。



MJF 3D打印机最新系列是Jet Fusion 5400系列，首先介绍HP Jet Fusion 5420W 打印机，除了可以打印普通的深灰色尼龙材料，还可以打印白色的尼龙材料。这种新型白色材料解决方案受到医疗、汽车和消费品行业的追捧，为获得更鲜艳的色彩和更好的光折射提供了后处理机会。

MJF 也被应用于鞋类，不仅与法国运动品牌迪卡侬合作，还与奢侈品牌 Botter 合作推出3D 打印概念运动鞋(见上图)。该鞋采用柔性 TPU 材料打印，这也是自行车装备制造商Posedla为其定制 3D 打印自行车鞍座 Joyseat选择的材料。


△Reebok/Botter 和迪卡侬的3D打印概念鞋，采用3D 打印Multi Jet Fusion 技术

多射流融合的技术原理


△HP Jet Fusion 5420W 解决方案

Multi Jet Fusion 是惠普于 2016 年向市场推出的一项 3D 打印技术，该技术是在惠普数十年在喷墨打印、可喷射材料、精密低成本机械、材料科学和成像方面的研究基础上进行的。简单来说，该技术使用一种液体粘合剂将粉末状聚合物材料逐层熔合在一起，因使用多个喷墨头而得名。请注意，不要将惠普的 Multi Jet Fusion 与其金属打印机中使用的Metal Jet打印工艺混淆，二者非常相似，Metal Jet使用金属粉末而不是塑料。本文介绍的重点是多喷射融合技术，仅使用塑料。


△MJF 流程分为五个步骤

尽管 MJF 并不完全属于国际标准组织 (ISO) 定义的七个 3D 打印技术类别之一，但它是粘合剂喷射的一种。所有粘合剂喷射 3D 打印技术均使用喷墨打印头将液体材料喷射到粉末材料层上。传统上，塑料或聚合物粘合剂喷射是一种“冷”技术，但惠普在打印过程中引入了热量，这大大改变了该过程。

在多喷射融合打印过程中，打印机在打印床上铺设一层材料粉末。随后，喷墨头会在粉末上运行，并根据所需零件的数字模型在粉末上沉积熔合剂和细化剂。红外线加热装置也会在打印品上移动。无论在何处添加熔合剂，下面的层都会“熔化”在一起，而暴露于细节剂的区域不会完全熔合，没有涂抹药剂的区域仍然是粉末。未熔化的粉末支撑熔化的材料，消除了支撑。为了完成打印过程，整个粉末床以及其中的打印部件被移动到一个单独的处理站。在这一步骤中，大多数松散的未熔化粉末被真空吸走，可以重复使用。


△借助 HP 3D 打印，Triple August Race Engineering 能够以更快的速度生产轻质但坚固的零件

多射流融合是一种多功能技术，已在许多行业中得到应用，它在开发过程的各个方面为制造商提供了帮助，从原型设计到创建用于现场测试的功能原型，再到制造最终零件。

多射流融合的应用领域
通过 MJF 取得成功的一些行业包括：

●汽车
MJF 3D 打印正在帮助汽车和车辆制造商降低零部件生产成本，同时提高运营效率。一家西班牙汽车零部件供应商（Continental Automotive Spain SA）使用 MJF 打印开发气动夹具，缩短新零件加工时间。在捷豹路虎，汽车工程师正在使用 HP Multi Jet Fusion 为工厂工人开发下一代防护设备；通用汽车新建的 15,000 平方英尺增材工业化中心将 HP MJF 机器纳入其3D打印机群中，用于生产原型零件、工具、固定装置和最终用途零件。


△Invent Medical 的 3D 打印 Raptor 面罩由 HP Multi Jet Fusion 3D 打印机制成

●医疗科技
疫情期间3D打印和数字制造的优势持续增长，弥合了供应链差距并提高了从设计到零件的速度。HP 及其全球合作伙伴和客户网络已 3D 打印了超过 500 万个零件，以满足迫切需求并组建新的生态系统以实现本地制造。

在医疗和牙科行业中，3D打印应用和大规模个性化产品正在呈现爆炸式增长。田纳西州纳什维尔的 SmileDirectClub 拥有 60 台 HP Multi Jet Fusion 打印机，全天候工作来制作定制牙科模具；HP Jet Fusion 3D 打印机也正在改变矫形器行业，并实现可定制医疗假肢的生产；Invent Medical使用 HP 白色 PA12 制造定制矫形器和假肢设备，为儿科护理提供新的打印后着色可能性。


△眼镜是使用 HP Multi Jet Fusion 3D 打印制造的增长最快的消费品类别之一

●消费品
许多类型的消费品需要生产小批量、复杂形状的零件。百事可乐是世界领先的食品和饮料公司之一，当他们试图设计一种小面罩来覆盖饮料罐作为与黑豹电影搭配的产品时，遇到了阻碍。百事可乐公司测试了各种3D打印技术，以制造超级英雄面具的精细细节并还原深黑色。最终，MJF 凭借其高生产速度和耐用性脱颖而出；惠普还与体育用品和眼镜行业的客户合作，使用 Multi Jet Fusion，Oakley正在缩短其眼镜以及其他运动装备的产品开发阶段。Smith为 I/O MAG Imprint 滑雪护目镜定制的3D打印框架被评为《时代》杂志2022 年最佳发明之一。

多射流融合的优缺点


△HP MJF 机器作为制造解决方案的渲染图

优点
●打印速度快
●大批量生产周期
●精确打印，呈现精美细节
●个人打印成本低
●设计自由，无需支撑
●粉末回收减少浪费
●能够在后处理中为零件着色
●高品质表面光洁度
●一致的机械性能

缺点
●昂贵的初始打印机投资
●所有专有材料
●无法生产一些弯曲的、空心的几何形状
●最终产品是灰色的，没有染色剂（使用新的 Jet Fusion 5420W 解决方案打印时除外）

HP 的 MJF 机器阵容


△HP 3D Jet Fusion 4200 系列 3D 打印机

HP主要有两套 HP Multi Jet Fusion 3D 打印机及配套设备：2016 年推出的 HP 3D Jet Fusion 4200（此后进行了一些升级）和 2019 年推出的 HP Jet Fusion 5200 系列；还有 2019 年推出的 5420W 2023，与 5200 系列几乎相同，只是打印系统仅专用于白色部件。惠普还有其他 MJF 机器，主要用于原型设计，现已退役。

4200系列
4200系列是 HP 第一个针对小批量和大批量生产的零件，它非常适合工业原型设计和最终零件生产。4200号称是一款易于使用的解决方案，可根据业务进行扩展，它使用HP专有的熔合剂和细化剂及材料，外部罐可以从处理站提取重复使用的材料，以便用不同的材料替换。

自动化材料混合和装载系统可简化工作流程并减少劳动力，这套机器包括一个封闭的拆包和材料收集系统以及一个冷却模块，因此可以拆除成品打印床并用新的打印床进行替换，以最大限度地减少停机时间。


△完整的 HP Jet Fusion 5200 系列（来源：HP）

5200系列
5200 系列是惠普用于批量生产的专用 3D 打印机，这意味着数千或数十万个零件。与 4200 相比，它具有升级的灯功率以及一系列效率和速度进步。5200 系列包括 5210 和 5210 Pro 等变体，在运行成本、体积、材料兼容性和内部组件升级方面存在各种差异。

5420系列
此打印机、后处理站和构建单元无法打印灰色部件，能够打印公司独有的白色尼龙 PA 12 材料。与灰色或黑色相比，使用白色部分进行打印的优点之一是白色部分更容易染上更亮的颜色。由于染色 MJF 零件非常常见，因此行业客户一直在寻求一种解决方案来生产颜色鲜艳的最终用途零件。

5420W生产的白色部件还通过了包括细胞毒性在内的多项生物相容性规范测试，灭菌也可在高达 132 ℃ 的温度下成功进行多次循环，时间长达 30 分钟。如果用户的机群中已有 5200 系列打印机并希望升级到 5420，HP 会提供升级套件。

用于多射流聚变的材料


△巴斯夫和惠普合作为 MJF 开发新型工业级聚丙烯

最初，Multi Jet Fusion 仅与尼龙 PA 12 粉末兼容。但在该技术上市的几年里，可用材料的范围已经扩大，而且新材料仍在开发中。尽管多射流融合是粉末床融合的一种，但这并不意味着所有粉末床兼容材料都适用于 MJF，MJF 的材料清单比粉末床熔融少得多。2020 年，惠普与巴斯夫合作开发了一种新型耐用且耐化学腐蚀的聚丙烯，他们的最新产品是高可重用性 PA 12 W，其中 W 代表其白色，可以在其 5420W 打印机上使用； Lubrizol推出其最新的 MJF 兼容材料 Estane 3D M88A TPU。

MJF 兼容材料包括：

●High Reusability (HR) PA 12 Nylon
●HR PA 12 Glass Bead (GB)
●HR PA 12 W (white)
●HR PA 11
●HR PP enabled by BASF Production
●Estane 3D TPU – M95A from Lubrizol
●Ultrastint TPU01 from BASF
●TPA from Evonik/HP
●Estane 3D TPU M88A


△在 HP Jet Fusion 580 上以全彩打印的部件

惠普曾经提供全彩 Multi Jet Fusion 技术，但遗憾的是在 2021 年停产了 HP Jet Fusion 380 机器。一些按需 3D 打印服务仍然拥有这款打印机，但惠普不再支持它。如果您正在寻找全彩3 打印件，可以看看3D Systems ProJet CJP 260Plus、Mimaki 3DUJ-2207 或 Stratasys J750 和 J55。

多射流融合的替代方案


△Voxeljet X200 HSS 和 Stratasys H350 SAF 均使用喷墨技术粘合尼龙粉末，然后与 MJF 类似的热能将其熔化

选择性吸收融合 (SAF)是来自3D打印机和材料制造商 Stratasys 的另一种专有粉末床融合技术。SAF 使用红外吸收液将尼龙粉末颗粒层状熔合在一起来制造零件。工业级压电打印头将流体喷射到指定区域，以创建零件的每个横截面。随后暴露在红外能量下，导致具有流体的区域熔化并熔合在一起。重复该序列直到零件完成。Stratasys 的 SAF 3D 打印机是 H350


△Voxeljet 提供一种称为高速烧结(HSS)的聚合物粉末床融合技术，该技术不使用激光并可实现快速打印

与MJF 一样，SAF 是一种比使用激光的技术更快的尼龙零件生产方法。这两种方法都与Voxeljet 的高速烧结 (HSS)相似。HSS的塑料材料范围很大，不仅包括尼龙和TPU，还包括聚丙烯（PP）和乙烯醋酸乙烯酯共聚物（EVA）。