【技術新知】奈米顆粒噴射(NPJ)金屬3D列印

發佈日期: 作者:

型創科技／王海滔 應用工程師

前言

　　3D列印技術正在快速改變傳統的生產方式和生活方式，作為戰略性新興產業，許多發達國家高度重視並積極推廣該技術。不少專家認為，以數位化、網路化、個性化、定制化為特點的3D列印技術為代表的新製造技術將推動第三次工業革命。金屬與陶瓷零件3D列印技術作為整個3D列印體系中最為前沿和最有潛力的技術，是先進製造技術的重要發展方向。各式各樣的新型列印技術也在不斷興起，為模具製造業提供更多設計可能性，本文將介紹奈米顆粒噴射技術（Nano Partical Jetting，簡稱為NPJ），可用於製造陶瓷與金屬列印製件。

圖1：NPJ製成的不銹鋼部件
圖2：NPJ製成的陶瓷與金屬件

NPJ技術

　　奈米顆粒噴射(NPJ)技術是XJet公司於2016年首次公開的並取得專利的材料噴射3D技術。其工作原理與傳統的2D噴墨印表機的工作原理相似。噴墨印表機的工作原理是噴墨系統前後移動並將彩色墨水沉積在紙上(2D)。而奈米顆粒噴射技術其實相當於用懸浮奈米粒子(SNPs)替換彩色墨水然後用列印平臺替換紙張(3D)。

圖3：XJet Carmel 1400 C
圖4：噴射陶瓷3D印表機列印倉

NPJ技術的工作原理

　　先將大分子金屬顆粒粉碎成奈米級顆粒，再往奈米金屬顆粒注入黏合劑，構成完整的列印墨水。在墨水中，金屬顆粒會以懸浮態(SNPs)均勻分佈。金屬以液體的形式裝入3D印表機後，使用特製的噴頭將墨水噴出，同時噴射支撐材料。該過程在保持在250°C的加熱床上進行，這使得液體在噴射時蒸發，金屬顆粒被分散沉積到列印平臺進行相互黏結，隨後逐層噴射構建，層厚可小於2微米。在列印過程中液體會因為列印平臺的熱量而蒸發，生成的3D物件在其主體和支撐中只有少量黏合劑。

　　這種積層製造工藝與許多金屬3D列印工藝中所使用的粉末熔融工藝不同，能夠使用普通的噴墨列印頭作為工具，無需借助任何外力即可通過專門的技術融化去除支撐結構。因為是通過融化去除的，理論上可以無限添加支撐，給予設計師更大的自由。同時所得零件具有更高的細節，表面光潔度和準確性，在機械性能等各方面都幾乎可以與傳統的鑄造件一較高下。

　　該技術將金屬與陶瓷列印應用包括醫療行業的助聽器、手術工具、牙冠、牙橋和導鑽器；航空航太和汽車的耐高溫和耐摩擦零件；和用於電氣工業的感測器。

圖5：金屬液體與支撐材料同時噴出，隨後被蒸發

優缺點分析

NPJ技術的優點條列如下：

  • 製造零件尺寸更靈活、精度更高，能以高解析度（層厚度為10微米）和精度（±25微米）實現超精細的細節；
  • 列印環境需求較低，安全度高（無需惰性氣體，真空或壓力環境）；
  • 材料更換方便，顆粒度可調節；
  • 材料利用率高，列印的零件可以回收，節約成本；
  • 列印成品可直接使用，無需打磨等後處理；
  • 支撐結構去除簡單。
表1：Carmel 1400設備資訊

　　然而缺點也十分明顯，目前的NPJ 3D印表機，基本上都是工業級需求才會使用這項技術。由於該技術剛開發不久，材料的選擇性和多樣性上相當有限（Xjet目前支援使用316L不銹鋼和兩種陶瓷材料（氧化鋯和氧化鋁）。同時設備性能穩定等各方面還需要提升，需要更多的後期開發升級。

結論

　　3D列印的缺陷和局限性致使它與傳統加工方式有很大差距，而且這些缺陷是由3D的技術本質決定的，其實很難通過一般性的技術發展消除。因此金屬列印技術的發展與普及也一直受限，如材料設備昂貴、製品精度與性能較低、生產效率低等，令製造廠商對其高風險望而卻步。但3D金屬列印仍然有著傳統加工沒有的優勢，其設計週期短、造型更靈活、理論上設計成本低等，可以作為部分模具零件（如異型水路等特殊結構）很好的加工補充方式。相信積層製造與其他加工技術的結合發展，能煥發出不一的光彩，可應用於更多的領域。

參考資料

文章來源：SMART Molding雜誌