粘结剂喷射3D打印：高DPI并不意味高精度，五个因素是关键

粘结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类似：更低的粉末层厚度可产生更高的质量。而这一参数实际并非唯一影响因素。

本文内容来自ExOne，由武汉易制科技编译。在本文中，粘结剂喷射领域的世界领先专家、ExOne 技术研究员 Dan Brunermer将详细介绍影响粘结剂喷射技术成型质量的因素。Dan从 2001 年开始从事该技术，他开发了ExOne早期的金属粘结剂喷射系统 R2，该系统至今仍在生产中使用。

影响因素一：粉末

第一个影响因素是粉末，如果没有粉末来保持 dpi 的真实性，那么 dpi 也并没有意义。与在纸上打印不同，粘结剂喷射系统中的打印头是在金属、沙或其他陶瓷粉状材料上进行打印，这些粉末并不都是大小相同的完美球形。

从微观上看，粉末颗粒的形状各不相同，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。粉末粒径通常由 D50 表示，如对于 D50 为22 μm的粉末，其中一半粉末直径高于这个值，另一半粉末则低于这个值。

更重要的是，当把一袋粉末放进机器时，粉末会自行排列，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孔隙。确切地说，这是一个混合体。

粘结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结剂喷射在颗粒上，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，这意味着粘结剂必须撞击粉末颗粒，并基本上用流体单独包围每个颗粒，这样它就会粘在相邻的粒子上。根据粉末种类，打印头可能还需要适配一定范围的粘结剂粘度，有些粉末适合低粘度的粘结剂，有些则适合高粘度粘结剂。

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，它的每一个液滴相当于 21.17 μm，大约是人类头发横截面的一半。如果使用1200 dpi的打印头将粘结剂打印到 D50 为 30 μm 的金属粉末床上，粘结剂在碰到粉末颗粒时，能否保持 1200 dpi 的公差？

实际并非如此，这是因为一半的粉末颗粒直径实际上比喷射在它们上面的液滴还要大。在这种情况下，dpi精度再高，也没有用。

影响因素二：粉层厚度

如果继续使用 1200 dpi 的喷头，同时将材料换成更细的金属粉末，如D50 为 9 μm、最大粒径约为14 μm时，理论上所有粉末颗粒的直径均远低于 21.7 μm的粘结剂液滴尺寸。此时，如果将粉末层厚度设置为常规的50 μm，1200 dpi 的精度又能否可以保证呢？

在 X 和 Y 方向，基本可以得到保证（稍后详细介绍）。但在 Z 方向，dpi 无法保持——因为 50 μm的层相当于 508 dpi。要在垂直方向保持 1200 dpi，则需要 21.7 μm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。

因此，如果采用合理的速度和层厚打印，1200 dpi分辨率的打印头并不会被采用。

影响因素三：粉层压实

进一步的，假设采用合适尺寸的粉末和层厚，来保证 1200 dpi 的真实性。

在打印过程中，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。通常情况下，粉末颗粒越细，团聚想象就会越严重，越难以铺展均匀。对于适配1200 dpi 的粉末颗粒，可以采用D50 为 9 μm的粉末颗粒，其在铺粉过程中则存在困难。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、铺平和压实超细粉末，以获得所需要的的 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。

如果粉层在铺设过程中无法保持一致和致密，就像在一张有洞的纸上打印1200 dpi的粘结剂，这些小颗粒就不能紧密的聚集在一起吸收粘结剂。

技术人员解释道，如果粉末不一致、不致密，粘结剂就会渗入缝隙中，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因素，生坯的高致密度意味着更少的收缩、更少的变形和更严格的公差。

影响因素四：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。如果采用超精密的1200 dpi打印头，就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。

如果将高 dpi 的打印头配备在一个不达标的系统上，则难以将 21.7 μm的超细墨滴输送到打印床中准确的 X、Y 位置。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。

Dan表示，如果没有配备精确到20 μm以内的驱动器，1200 dpi并不重要；而如果没有办法能正确地找到这所有1200滴墨水的位置，那么这个dpi也不重要。

影响因素四：墨滴质量

再进一步的，如果采用合适的粉末、层厚和粉末管理系统以及高精度运动控制系统，可以输出和接收 1200 dpi 墨滴，dpi是否能保持呢？

事实是仍然无法保证。并非所有 1200 dpi 打印头都能提供相同质量的 21.7 μm墨滴，液滴可以以不同的形状和能量或速度水平输送。

DAN在研究中发现，不太完美的液滴反而可以生产出更好的零件。如果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、太小或能量太少，它只会从粉末表面反弹。

END

这五个原因只是 dpi 不能代表粘结剂喷射 3D 打印质量的几个原因，然而在最后的金属烧结阶段如何保持精度仍然非常复杂。

那么，确定粘结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 表示，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质量，最好的方法是用竞争对手的系统打印零件并做比较！