破晓时分──MBJT成为MIM的强大竞争者

■ 耀德讲堂 / 邱耀弘 博士

(转载自繁体版ACMT电子技术月刊No.085)

前言

本文在动笔的时候恰是2024元旦的破晓时分，Dr.Q想起一首英文老歌──破晓（Morning Has Broken – Cat Stevens演唱）的第一段歌词：「今日的破晓就如第一个清晨」，如果没有人类的文明加持，元旦日的破晓确实和过去的任何一天并没有什么太大的改变。因此，Dr. Q就来用一个新的议题来为2024第一个破晓添加重大的意义。我们谈谈最近出现的金属粉末黏结剂喷射技术（Metal powder with Binder Jetting Technology，以下简称MBJT）。MBJT是积层制造（ASTM F42定义的七种AM，Additive Manufacture）中需要烧结的唯二方法（另一个是材料挤出法，采用MIM喂料的方式），这个技术目前已经追上MIM技术，有趣的是这个技术使我们MIM同业必须以枕戈待旦的心情度过这新年的元旦哩！

正如Dr. Q在上一篇专栏所提，MIM技术刚刚度过50周岁，MIM在1972开始至今对小型金属零件加工产业引起非常大的波澜，包含（金属加工约略分为五个世代，第二代的锻造法和第四代的机加工法不列入本次讨论）：

• 第一代工艺：精密铸造(Investment Casting)──又称为失蜡或脱蜡铸造(Lost Wax Casting)，可加工材料包含铝、铁系与不锈钢、镍、钴、铜等金属或合金；压力铸造(Die Casting)及液态金属技术(Liquid Metal Technology, LQMT) ──以轻质合金包含镁、铝、锌合金，甚至是液态金属的锆铝合金金属玻璃(Bulk Metal Glass, BMG)新材料；
•  第三代工艺：板金冲压(Pressing of Sheet Metal Work, SMW)，采用金属薄板利用板金工艺弯折成3D造型零件，以铁、铜、铝合金薄板最为普及；
•  同为第五代工艺的压制与烧结的粉末冶金技术(Press and Sinter of Powder Metallurgy, PM)，广泛的金属材料粉末可以利用粉末制程制作2D零件。

当我们还在讨论模具对上述加工技术在制作小型金属零件的精度问题时，突然发现MBJT竟然可以不用考虑关于模具的问题，这着实令我们这群传统加工技术的业者大大的震惊。

 

BJT直接跳过模具与注射加工

如图1所示，这是HP公司在2019年发表的文章中所表示的BJT工艺流程，这个程序直接取消我们熟悉的模具与注射加工，金属零件在打印机的层层铺粉、喷射黏结剂的过程中被制作出来。

 

图1：在HP技术文章中发表的BJT制作工艺流程。图片来自国际粉末注射成形期刊 2019 年9月份第十三卷第三期第77~83页(On page 77-83 Vol.13 No.3, September 2019, Powder Injection Molding International.)

 

这下好了，突然我们习以为常的讨论拔模角、加胶、减胶、排气……一切有关产品零件特征变得更没有限制，而且，我们竟然再也不用担心模具因为制造过程的磨损与定期的维护保养，甚至模具的储存空间问题和找不到模具的问题也都被一串串数位数值所取代。然后，我们的MIM注射机也被那台原来是作为文件打印机器的小老弟 – 3D打印机所取代，我们经常讨论的火箭头三件套、砲筒、螺杆，你爬上爬下的吊挂模具、接上模温机那些挥汗如雨的工作，你在高温的混料机旁照顾的MIM喂料，这些也随HP BJT出现而成为过去。

这些并不是未来即将发生，而是HP已经真的在中国内已经进行了3年的实际量产，新冠疫情的三年我们还在为防堵疫情而奋斗，新技术也没有停歇，它无声无息地进入我们的地盘并发芽、扎根。

根据HP亚洲高层的透露，HP的MBJT已经成功地在中国数个原来是MIM产品的制造公司，结合他们原有的粉末材料、烧结工艺与后制程步骤完成许多产品并成为真正的商品，包含许多知名的3C产品也都使用了这个技术所制作的小型金属零件，材料更包含不锈钢与钛合金等，并非只有选区雷射打印技术(Selection LASER Melting, SLM)独占鳌头，而结合原来MIM工艺的原料与设备使得HP公司在众多BJT设备公司（包含ExOne、Desktop Metal、Digital Metal等国际大厂）获得更多的经验。

没有模具制品的特定瑕疵

使用MIM工艺在制作小型金属零件有一个先天上的毛病，那就是MIM喂料在填充模穴的过程因为其流动受到模穴边界限制产生的波动与冲击，造成喂料粉末由熔融状态凝固后的粉末分布不均匀现象出现在MIM生坯的表面与内部，在烧结后便会凸显出许多缺陷，如图2所显示的照片包含了黑痕(Black Mark & Line)、分层或掉皮、结合线（Welding Line，又称为焊接痕）、包封（Air or Vacuum Bubbles，或称空气泡、真空泡，在前述的其他工艺也都有类似的状况，如精密铸造、压力铸造等）。

 

图2：因为模具的边界限制造成的产品缺陷。(a)注射口附近的黑痕；(b)因为内部黑痕引起的攻牙后产品表面分层；(c)明显的产品结合线

 

虽然我们采用很多的方式解决这些看得到的缺陷，但是一旦在表面层下看不见或是很难被发现的隐蔽位置，产品的可靠度会大幅度降低，尤其是应用在耐疲劳与高速运转的机构零件是绝对不可以接受的。这些缺陷都是各种制程工艺工程师们最为头痛的问题，大部分工程师都只能以「头痛医头、脚痛治脚」的方法采用后加工进行补救，甚至有些企图使用模具表面「模糊化」的遮丑技术，使MIM表面看不到黑痕就当作解决问题，并且还以之为专利申请了智慧财产权，这些错误的手段没有解决问题的根本，将会导致严重的后果。比较可靠的方式，是采用熟悉的「长肉生肌」的材料增生法，在容易造成缺陷的特征位置进行额外的材料增加，使缺陷移出该特征位置并进行后加工恢复该特征，作为安全获得产品的手段，如图3所示，在传统的铝/锌合金压铸件上便经常使用排渣包(Slag package)这种手段。

图3：传统压铸件的排渣包设计，主要是将熔融的金属材料之冷料与困气排出产品外，然后再以二次加工的方式修除毛边，完成产品的轮廓与尺寸要求

 

即使在以固体材料的板金加工工艺，因为模具边界的限制造成金属材料薄板被重度的引伸、拉伸与冲挤，产品成形后必须要进行热处理才能释放加工造成的残留应力。

 

MBJT的其他优势

在众多金属积层制造技术中，对于材料种类的广泛性以及限制性，相信它们是无法与MIM技术比较的，这点Dr.Q非常肯定。

而在成形温度方面，MBJT相较于其他金属积层制造技术，如SLS/SLM(Selection LASER Sintering/Melting)、MMJT(Metal Material Jetting Technology)或是MEX（MEX - Material Extrusion包含PEP - Powder Extrusion Precipitation或FFF - Feedstock Filament Fusion技术，采用粉末制作成的喂料进行挤出成型），MBJT的成形温度无疑是最低的(~80℃)。这是非常巨大的优势，没有高温带来的打印品变形、扭曲以及加工过程的爆炸风险。

对于金属粉末选型除了球形度要求高之外，限制性的如高反射率（目前仅纯铜、铜合金和纯铝）、活泼性高（钛、铝等纯金属或合金）都可以在MBJT的设备中进行打印，对于特殊金属材料3D打印技术的开发有了更为宽广的大门。

 

那么，有了MBJT就不需要MIM了？

恰好相反，俗话说「只要带个鼠字，都归猫管！」，即便是黄鼠狼也惧怕猫。既然黏结剂喷射是粉末成型技术的一个分支技术，自然就归粉末师傅Dr. Q管了（Dr. Q就是往自己脸上贴个金，好看！），MBJT和MIM可以说是很难分开的孪生兄弟技术，此话怎说？

在前段所提到的粉末成形缺陷并没有提到关于粉末处理、烧结以及后续的处理工艺所遭遇的问题，假设3D打印有全球最顶尖的HP公司的支持是没有问题的，那么，Dr.Q在这里把MBJT、MEX和MIM的优劣比较与共性问题列出如下：

• 收缩率的控制MBJT优于PEP/FFF和MIM，但无法如MIM有一个范围宽广的收缩比选择(1.128~1.259)，目前MBJT仅能选用单一的收缩比约在1.165，PEP/FFF则可跟随MIM的喂料有较大的弹性；
• 粉末，这些技术都需要使用粉末且粒径在小于40um以下，粉末是一种基于高斯分布(Gaussian distribution or Normal distribution)的不均匀物质，只要控制手段失误就会造成一定的密度不均匀缺陷；尤其是以单纯粉末铺粉在喷射黏结剂的MBJT技术更容易发生分层现象；另外，HP对于使用的粉末供应商不进行限制，只要能够通过该设备的铺粉测试，都能够被使用，这无疑给了中国粉末制造商莫大的机会，同时也降低了积层制造业者的粉末材料成本，让更多人可接纳这个技术；
• 表面粗糙度受到粉末选型以及制程压力、温度的限制，MBJT是在接近正常1大气压下工作，黏结剂的温度低于80℃、粉末使用d50约在9~11微米甚至更大到15微米的球型粉末，相比PEP/FFF和MIM使用更细的粉末和密度更高的喂料，MBJT的材料密度就较为吃亏；
• 材料种类的广泛性较高，但仍旧不及传统PM及MIM制程，主要在于仅能使用纯元素粉末或是纯预合金，MBJT目前不能够使用母合金以及元素金属混合的粉末；
• 黏结剂的添加后再去除，虽然MBJT使用的黏结剂非常少，但是要能够获得可以移动的生坯以及可以堆栈多层打印的过程，黏结剂的用量势必要适当，目前MBJT的生坯强度大约在10Mpa，比起PEP、FFF以及MIM较为脆弱，要十分小心避免因移动或是重力造成特征龟裂。因此，没有例外的MBJT技术仍旧需要设计支撑，支撑不是用来防止打印的热扭曲与变型，而是用来抵抗重力支撑的问题；

 

烧结支撑与材料相变化、烧结空间和成本计算，这个问题的解决能力就是MIM老师傅Dr. Q的最强能力（久病成良医），虽然MIM目前的设备都可以帮助到MBJT，但是现有MIM设备用于MBJT真是大材小用，许多烧结炉的规格包含烧结参数对于MBJT都是不适用的；举个例子，烧结炉的空间、能耗成本和冷却时间就是一个明显的问题，MIM专用的炉子是希望容量更大、装载更多，然而对于MBJT就相对过大而造成浪费，而且从专炉专用的角度来看，不同工艺成型品以及体积/重量大小差异过大的制品共烧存在许多不确定的因素，可能会导致烧结结果异常；不过，MBJT需要较为小型烧结炉的限制无疑提供了烧结炉制造商的新机会，小体积、可控加压以及快速冷却，将会是未来MBJT产业上的新需求；

 

• 金属零件的后处理一直都是积层制造的短版，因为积层制造的产品数量通常是少量多样，没有办法如大量生产的制品可以使用专门的设备和工、治具来进行后处理，这点就需要时间来累积经验；打印分辨率与模具品的差异在于成型过程的压力，因此机械加工的后处理是唯一可以缩短两种差异的最好方式，保留烧结后产品可以夹持的特征将是BJT最迫切学习的设计要求，这个也需要时间来累积经验！

 

新的一年，MBJT与MIM携手并进的2024

其实积层制造的方式仍旧不能超越MIM在于模具品的精度和特征轮廓，不过对于变化密度包含特殊的拓朴结构则是MIM无法达成的，两者处在各自拥有长短处但都能有一片天的优点。写了一天，来到这里已经是2024/1/2中午，改来改去和收集图片花掉Dr.Q许多时间，希望这篇开年的专稿能够提供MBJT从业者们的一个指引，并且安抚MIM业者快速接纳MBJT挑战，并寻找兄弟联手的合作机会，毕竟都属于粉末成型技术的大家庭一员。新年快乐，又是阳光普照的一年。

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