ExOne公司（ExOne）成立于2005年，作為Extrude Hone Corporation的衍生公司，是粘合劑噴射技術的全球領導者。該公司提供3D打印機、打印產品和相關服務，以幫助公司在現有制造業務中利用和集成3D打印。1996年，該公司獲得麻省理工學院（麻省理工學院）開發的金屬和沙子部件3DP（3D打印）工藝許可證。從那時起，該司開發并商業化了系統和材料，以最佳地滿足汽車，航空航天，重工業和能源領域的應用。使用沙子，陶瓷和金屬粉末進行打印是他們的核心專業領域。

而在這次訪談中，ExOne公司研發總監Andrew Klein跟大家講述了粉末流動在3D打印中的重要性。

您能解釋一下粘合劑噴射技術是如何工作的，主要的應用領域有哪些？

在粘合劑噴射中，液體粘合劑用于逐層選擇性地連接粉末顆粒。該過程始于薄層粉末的擴散，打印頭然后策略性地將粘合劑液滴沉積到粉末床中 - 就像在紙上噴墨打印一樣 - 工作箱隨后降低，并且另一層粉末被涂抹。粉末和粘合劑的逐步分層構成了完整的部分，未使用的粉末（約95％）被回收。

粘合劑噴射可用于打印各種材料，包括許多不同的金屬，沙子和陶瓷。砂型鑄件不需要進一步加工，但金屬結構通常固化和燒結，如金屬注射成型（MIM）。用互補材料滲透和/或熱等規壓制也可用于輸送具有所需性能的成品部件。

與其他AM技術一樣，粘合劑噴射對于降低產量尤其具有成本效益。例如，為了以每年約1,000,000份的速度生產小而復雜的部件，MIM通常是最便宜的選擇，但是對于較低的體積，在每年200,000份或更少的地方，模具的成本將優勢擴展到粘合劑噴射。但是，與任何部件一樣，確切的生產量將取決于應用程序。

就獨特的優點而言，粘合劑噴射在施工期間不會使用熱量來熔化或焊接顆粒，從而避免殘余應力的累積以及隨后釋放它們的任何要求。此外，顯影部件由松散的粉末支撐，從而無需從構建板上移除部件。擴展速度通常優于替代AM工藝的速度，使整體構建速度具有很強的競爭力。這些優點加上可以靈活地打印非常大的物體，使得粘合劑噴射成為許多AM應用的最佳選擇。

您使用哪種類型的金屬粉末以及哪些屬性可以定義其性能？

從歷史上看，3D打印用于“形狀和適合”，主要用于原型設計。隨著向工業生產的轉變，使用的金屬粉末已經受到更嚴格的審查。我們擁有適用于各種行業的合格材料，我們最初的重點是不銹鋼，我們將繼續開發更多。我們經常使用的其他金屬是工具鋼，銅，鉻鎳鐵合金和鎢。

粒度分布是AM金屬粉末的重要度量，特別是在燒結性能方面。轉向更細的粉末可以降低達到一定燒結密度所需的溫度和時間，降低坍落的機會和尺寸完整性的損失。通過SEM定量的顆粒形態也是關鍵的，因為粘合劑相容性我們通過向粉末樣品中添加已知體積的粘合劑，觀察沉入其中所需的時間，然后測試固化性能來評估。

但是，僅憑這些特性，我們無法確定粉末是否能很好地打印。這一點至關重要，因為除了為合格材料定義穩健的規格外，我們還經常面臨與客戶合作開發新材料的挑戰。我們需要能夠回答“我能用這種粉末打印嗎？”這一問題。包括粉末測試和我們的其他表征技術使我們可以放心地這樣做。

您使用什么粉末測試技術？為什么？

我們使用Freeman Technology的FT4粉末流變儀，我們已經使用了幾年，我們用它來評估所用的每種粉末。 FT4的獨特之處在于它可以測量動態，剪切和散裝粉末特性，事實上，這三種類型的指標構成了我們的常規屏幕。

在動態參數方面，我們測量基本流動能量（BFE），穩定性和流量指數（FRI）;這些都是由單一測試協議生成的。 BFE是當儀器的葉輪向下穿過粉末樣品時測量的流動能量。穩定性測試包括在相同條件下重復測量BFE  - 因此它提供了粉末穩定性的指示 - 而FRI是通過在不同葉輪速度下測量BFE來確定的。我們使用儀器的剪切單元功能和可壓縮性和滲透性的整體性質來測量內聚力和壁摩擦角。

如何使用粉末測試數據？您能否確定它提供的任何特定好處？

通過將打印性能與粉末測試數據相關聯，我們開發了一種性能良好的粉末規格。如果我們正在考慮新的供應商或客戶為我們帶來了新的粉末打印，那么我們可以高度自信地確定它是否有效，如果是，如何處理它，只需從測試數據中獲得。沒有FT4，這是不可能的。這些相關性需要不斷改進，每種新粉末都會添加到數據庫中，但是它們很少能夠保留。我們現在擁有一個高效的測試系統，為我們節省了大量的時間和精力。

一個很好的例證來自一個確定316L材料替代供應的項目。我們經常購買金屬粉末以提供零件打印服務，并確定了一種價格低得多的316L粉末供應，以降低成本。兩種粉末的粒度分布基本相同--Dv50為15.8c.f16.1μm，Dv10和Dv90的差異與形態相似。使用新粉末進行打印最初產生了良好的效果，但在隨后的回收粉末運行中，質量下降。我們剝離了機器，再次啟動，但同樣的事情發生了。

用FT4測試顯示兩種粉末的穩定性顯著不同。原始粉末的穩定性為1.03，這意味著重復測試時流動性質基本不變，而新供應的粉末則為1.52。 FT4可以檢測不夠穩固的粉末，以通過回收過程保持一致的流動性。基于該結果和其他粉末測試，1.2的穩定性值現在標記了可接受性的上限，因此在加工之前檢測將以這種方式失效的粉末。

擴展ExOne AM技術應用的主要挑戰是什么？

我想說，對粘合劑噴射的優點的理解正在增長，因此傾向于使用它。我們最近在我們的產品系列中添加了第三種合格的不銹鋼 -  304L，以及之前發布的316L和17-4PH  - 我們正在努力引進其他材料。 FT4將在幫助我們實現這一目標方面發揮重要作用，而在其他項目中，我們必須確保流程性能的穩健性。目前的主題是濕度的影響。 FT4幫助我們了解濕度如何影響粉末特性以及延長工藝性能。

展望未來，我認為粘合劑噴射具有非常光明的前景。近年來，對3D打印的理解已經相當成熟。它現在是一種成功的工業制造技術，對它的好處有了更多的了解，相反，它不容易與現有的工業過程競爭。通過為客戶提供專家支持和先進技術，我們可以確保粘合劑噴射與其他制造技術一起處于最佳位置。

注意：術語3D打印和增材制造（AM）在很大程度上可以在行業中互換使用，并且已經出現在本文中。

關于Andrew Klein

Andrew Klein是ExOne的研發總監。在此職位上，他為ExOne的打印機開發了高密度燒結金屬，并領導公司的金屬研發團隊，以及其他工作。

Andrew在卡內基梅隆大學（Carnegie Mellon University）學習機械工程，在那里他從事機器人技術研究，專注于機器學習。他還獲得巴克內爾大學機械工程學士學位。