管理和補償燒結階段發生的大量收縮是Binder Jetting粘結劑噴射金屬3D打印技術面臨的最大挑戰之一。零件在爐內收縮30-40％，線性收縮15-20％。如果零件很小并且壁厚均勻，那么收縮是可以預測的。然而，不同厚度的大型零部件的燒結過程會對幾何形狀產生非常復雜的問題。根據3D科學谷的市場研究，燒結收縮目前嚴重限制了Binder Jetting粘結劑噴射金屬3D打印技術適用的幾何形狀和應用類型。
根據3D科學谷的《深潛 l 粘結劑噴射金屬3D打印技術的后處理挑戰》一文，meta Additive的非犧牲性粘結劑解決方案使得燒結收縮從20%降到了2%，不僅消除了脫脂步驟的需要，而且還降低了后處理階段所需的熱量水平。在正常打印后，做300℃的熱處理即可，熱處理是為了鞏固和優化一些微結構。
隨著粘結劑的開發以及對Binder Jetting(BJ)粘結劑噴射金屬3D打印技術的理解加深，可以帶來更加環保、更高合金強度的研究正在進行時。本期谷專欄，3D科學谷與谷友共同來領略發表在Nature Communications上的“A general fruit acid chelation route for eco-friendly and ambient 3D printing of metals”關于對強度更高的金屬進行精細的粘結劑噴射金屬3D打印的解決方案。
粘結劑噴射3D打印材料系列
3D科學谷白皮書
更環保、更強的零件
研究人員展示了一種適用于金屬粘結劑噴射 3D 打印的水基固相粘結劑。常見果酸螯合劑的鈉鹽在金屬顆粒之間形成穩定的金屬螯合物橋，從而能夠對強度更高的金屬進行精細的 3D 打印。通過后處理甚至可以進一步降低金屬顆粒之間的孔隙率。
粘結劑的挑戰
根據百度百科，金屬螯合劑（metal chelating agent）可以通過螯合劑分子與金屬離子的強結合作用，將金屬離子包合到螯合劑內部，變成穩定的，分子量更大的化合物，從而阻止金屬離子起作用，可以用于解毒，印染，阻垢等方面。
對于制造業來說，效率與成本的確是至關重要的，從效率和成本的角度看，粘結劑噴射金屬 3D 打印 (BJ) 是一種很有前途的增材制造技術，可以選擇性地將液體粘結劑噴射到金屬粉末上，從而在顆粒之間形成粘合，BJ是使得3D打印與生產線的結合成為可期的技術 。不過目前 BJ 商業應用技術的挑戰仍然涉及克服金屬增材制造工藝的苛刻條件，包括材料處理、后處理和質量控制。
根據3D科學谷，3D打印機與生產線的結合將迎來一個新時代：有一天，會出現雨后春筍般的小型工廠，這些小型工廠像社區一樣更靠近消費者，工廠的運轉通過軟件管理，可以按需打印零件，而無需起訂量的要求。 這個新時代的新意不僅在于制造方式與商業模式的變化，更重要的是可以設計出比過去更輕、更便宜和更高效的零件。
當前BJ與生產線實現結合所需要探索的重要方面之一是理解包括粘結劑材料在內的環保成分。兩種最常用的危險粘結劑，2-丁氧基乙醇基溶液和 2-吡咯烷酮基溶液，已被特別認為并不環保。此外，最近開發的由甲酸銅和辛胺組成的金屬有機分散油墨也被發現具有不利的環境影響。在陶瓷的BJ粘結劑噴射3D打印領域，尤其是生物醫學應用領域，已經有各種關于使用無害粘結劑材料的研究，例如綠色溶劑可溶性聚合物、麥芽糊精、糖和玉米淀粉。
環保型的粘結劑噴射3D打印
Nature Communication
然而，到目前為止，只有少數金屬 BJ粘結劑噴射的粘結劑材料被探索，因此要實現金屬零件的BJ粘結劑噴射3D打印技術走向生產線的普及，必須拓寬技術視野，通過開發新的綠色金屬粘結劑，既環保又無害，同時實現3D打印零件所需的性能。
環保粘結劑推動產業化發展
在這里，研究人員開發了新的粘結劑，是基于使用由天然果酸鹽組成的螯合劑作為環保粘結劑。通過將水噴墨到由金屬顆粒和螯合劑的均勻混合物組成的粉末上，成功地形成了金屬顆粒之間的金屬螯合物橋。
然后，對金屬 3D打印物體進行壓縮測試，以確認其機械強度對螯合劑類型的依賴性。隨后，通過后處理以及優化粒度和組成的分布，進一步提高了機械強度。實驗結果表明螯合劑輔助 BJ 粘結劑噴射3D打印技術不僅可用于實現復雜的結構，而且適用于廣泛的金屬粉末。
金屬顆粒之間金屬螯合物橋的形成
Nature Communication
研究人員在材料開發過程中發現基于 NaCit 的 3D 打印物體的機械性能優于其他螯合劑，添加 NaCl 以從 Al 鋁合金顆粒中的固有缺陷中釋放更多金屬離子并增加3D打印物的結合強度。在添加 NaCl 后，氯離子攻擊 Al 鋁合金缺陷形成 Al 離子，這反過來又促進了水環境中金屬顆粒表面的螯合。金屬螯合物橋密度的增加使得壓縮模量增加到 68.36 MPa；與未用 NaCl 添加劑處理的 3D 打印產品相比，這增加了 1.7 倍，通過后處理和優化可以很好地獲得機械強度的進一步增強粒度和組成的分布。
添加 NaCl 增加3D打印物的結合強度
Nature Communication
確保高打印質量
研究人員發現對于 BJ 的工業應用，應考慮各個方面，包括滲色效應、階梯效應、液粉吸入效應，以及敏感的工藝參數，如粉末粒度分布、粉末層稠度和干燥過程中的層位移等。這些方面決定了粘結劑噴射3D打印結果的分辨率和機械強度。
3D科學谷了解到研究人員解決了滲色問題——粘結劑溶液由于毛細作用力從3D打印物體中流出的現象——已得到解決，以確保高打印質量。在初始3D打印過程和后處理過程中使用水作為噴射流體可以部分緩解這個問題：水比傳統粘結劑溶液具有更高的蒸汽壓，因此它蒸發得更快，因此減少了解決方案從規定的結構中流出，特別是在研究中使用的升高的3D打印溫度下。然后加濕的后處理步驟確保金屬顆粒之間的殘余螯合反應完成。
后處理工藝
Nature Communication
另一方面，為了進一步提高 BJ粘結劑3D打印產品的機械強度，3D科學谷了解到研究人員優化了粉末尺寸和成分的分布。關于克服 BJ 物體的低固有孔隙率（一般為 30-60%）和降低微觀空隙率，研究人員使用了基于 10 和 75μm 金屬顆粒的雙峰粉末分布。通過用細顆粒填充間隙空隙來填充金屬粉末，從而使得空隙體積比顯著降低（生坯和燒結體分別為 1.55 和 0.30%）。
結果是3D打印的零件生坯的機械強度和壓縮模量顯著提高，分別達到6.06 MPa和218.43 MPa。在完成3D打印生坯的熱脫脂和燒結過程后，該值可以進一步提高到 29.59 MPa 和 1.49 GPa。這些結果確實比之前關于綠色溶劑可溶性粘結劑的報告中獲得的值要好得多，甚至可以與其他基于高功率激光3D打印的鋁合金產品相媲美。
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