揭示惠普MJF技术熔融机制、墨水成分和新旧粉末特性变化

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与激光烧结工艺相比，惠普多射流熔融（MJF）算得上是一种新兴的增材制造技术，它能够使用尼龙材料生产原型和功能部件。在打印过程中，喷头会在聚合物粉末中选择性的沉积两种墨水，然后通过红外灯照射实现熔融和固结。MJF技术号称具有比其他增材制造技术快得多的打印速度和高得多的材料利用率，具有巨大的应用潜力。

然而，对于该技术的成型机制，以及粉末特性、墨水质量、打印条件等对成型零件性能影响的研究却少之又少。近日，来自意大利都灵理工大学和摩德纳大学的学者对其进行了研究，同时还比较了MJF工艺条件下PA12新旧粉末的特性变化情况。主要发现如下：

接下来，我们结合本研究以及国内南方科技大学去年的成果，来阐述EOS SLS PA12与HP MJF PA12的材料特性、旧粉热力学参数变化以及两种工艺下的机械性能。

SLS和MJF两种技术在打印过程中粉末都需要预热，打印完成后也都需要将粉末快速降温。对于SLS技术来说，每一层粉末都需要整体预热到接近烧结窗口的温度时又激光由点及线完成扫描；MJF技术则是在粉末预热后通过打印头选择性的喷射熔合剂和细化剂，同时借助红外线照射实现面成型。理论上说，MJF技术比SLS的打印速率要高。在冷却阶段，MJF打印机配备了一个强制冷却系统，与SLS打印机相比，该系统可以极大缩短冷却时间。

左：喷墨和熔融成型过程整体演示；右：粉末铺设

左：喷射“熔合剂”（黑色）和“细化剂”（蓝色）；右：灯管照射，粉末熔融凝结

MJF打印机沉积的墨水分别是熔合剂和细化剂。如我们开始就给出的结论所述，熔合剂中的石墨碳有助于吸收红外辐射并使粉末熔化，而细化剂则能够抑制热量向周围传递。因此，该工艺中聚合物粉末的固化机理和成品零件性能就取决于墨水的特性以及沉积和辐照步骤的有效性。其次，该过程中使用的细化剂起到了边界轮廓的作用，未固结的粉末较少暴露在较高的温度下，再加上后处理阶段的快速冷却，材料因热循环导致的热降解程度大大降低。不过需要指出的是，细化剂在阻止热量扩散的同时，也导致了温度梯度的产生，这会给成型带来风险，并直接影响零件的质量（详见上传文件）。

研究人员对工业高纯PA12粉末、EOS和HP的新PA12粉末以及循环使用的粉末分别进行了化学分析。（据笔者了解，EOS和HP的PA12均由赢创提供，SLS粉末中添加了活化剂）

EOS SLS用PA12新粉与惠普MJF用新粉末颗粒形状近似，球形度都一般而且尺寸不均匀、表面也比较粗糙，不过SLS粉末仍然要比MJF新粉稍规则。在更高倍率下观察，发现EOS的PA12粉末中有破碎的颗粒，这会导致小颗粒聚集。在粉末粒度分布方面，MJF和SLS两种粉末非常接近，前者的平均粒径为54.76μm，后者为57.24μm（粒度分布见上传文件）。

粉末微观形貌（b）EOS PA12新粉；（c）EOS PA12新粉高放大倍率（d）HP MJF PA12新粉；（e）HP MJFPA12旧粉

FTIR、XRD的测试结果显示，SLS和MJF两种新粉的测试图谱基本上完全吻合，这表明两者的成分和相组成一致。DSC测试则显示MJF的新粉比SLS的烧结窗口稍大一些，因此MJF PA12具有更好的可控性和可加工性；不过MJF PA12的结晶度比SLS PA12稍高，这使得MJF打印零件的冲击性能较低。

HP与EOS新PA12粉末FTIR分析图谱

MJF粉末、打印件与SLS粉末、打印件热性能分析（Ws为烧结窗口）

惠普回收粉与新粉相比，颗粒形状基本上变化不大，不过未经处理的粉末观察到了轻微结块，可能会影响流动性，从而影响零件性能。对MJF新旧两种粉末进行FTIR和XRD分析发现，两者的光谱均完全重叠，这意味着新粉在使用过后分子结构及晶型均保持不变。

HP MJFPA12新旧粉末FTIR分析图谱

不过，DSC测试发现MJF新旧两种粉末的多项热力学和动力学参数均发生了变化，只是变化非常微小。这也间接证明了MJF工艺中的粉末预热非常适度，熔化和固结主要依赖熔合剂而非温度的影响（普遍认为MJF的加工温度低于SLS）。不过，研究人员特意指出循环使用过的粉末熔化焓变化较为明显。关于EOS新旧粉末的对比，研究中并未给出。

HP MJFPA12新旧粉末热力学参数（下部为文献对比）

因此可以得出的结论是，SLS和MJF使用的PA12粉末基本一致，MJF用粉末烧结窗口更宽，会使得烧结过程更可控；MJF循环使用的粉末与新粉相比发生了轻微的热力学性能改变。

国内南方科技大学的研究人员对比了EOS SLS技术、惠普MJF技术以及采用注塑和挤出工艺制备的PA12的机械性能。发现SLS零件的性能明显优于MJF零件，SLS零件的断裂伸长率、杨氏模量、冲击韧性分别是MJF零件的2倍、1.24倍和1.3倍；MJF零件的拉伸强度为40.1Mpa，但仍低于SLS零件的43.61Mpa；除杨氏模量外，MJF和SLS零件的其他机械性能包括密度等均比挤出和注塑成型的零件要低。

SLS、MJF以及注塑和挤出工艺制备的PA12机械性能对比

对零件断面的分析发现，SLS和MJF样品的断裂表面均存在球形空隙，根据密度测试的结果显示MJF样品的孔隙率比SLS零件要高。而零件的延展性对这些内部空隙非常敏感，裂纹往往由此萌生，这应该是SLS零件具有更好机械性能的原因，而这又可能是因为激光强大的即时加热能力造成的。

与此同时，意大利的研究人员发现MJF工艺打印的零件在拉伸性能方面显示为各向同性，但断裂伸长率会跟打印方向有关，XY方向明显高于Z方向。拉伸样条可以准确显示实际打印零件的拉伸强度，但不能准确表征断裂变形能力，实际零件的断裂性能往往被高估。

标准测试零件

南科大的研究人员还对SLS与MJF技术的打印速度进行了分析。MJF在标准模式下的打印速度约为每层10s，相当于10792mm²/s；但SLS的最大打印速度仅为5m/s×0.25mm=1250mm²/s。从数据上显示，MJF的打印速度确实比SLS高很多，但如果打印的是小零件，SLS的单层持续时间比MJF零件要低，但如果两种技术都进行较大幅面的打印，MJF的整体打印速度优势会非常明显。

笔者认为，本篇内容指明了几个重要观点：一是惠普MJF技术使用的熔合剂和细化剂的成分区别仅在于石墨碳；二是粉末循环使用后热力学参数会发生变化；三是SLS与MJF技术所使用的粉末基本一致；四是MJF打印的零件机械性能比SLS稍低，不过并不影响工程应用；五是MJF的打印速率和材料利用率比SLS高。更为详细的内容，感兴趣的读者可以阅读本文已上传的参考文献。另，本文不恰当之处请留言指出。