■耀德講堂/ 邱耀弘 博士
前言
雖然商⽤塑膠增材製造已有近30年的歷史，⾦屬增 材製造也已發展近20年，不過基本上⾦屬列印仍處 於起步階段。這是因為難以使⽤⾦屬增材製造生產具成本效益的零件，同時他們也難以兼具高品質和高 產量的製程能⼒，以⾯對更廣泛的應⽤來吸引更多⼯ 程師設計與採納它們。惠普公司希望借助其⾦屬粉末 黏結劑噴射系統改變這種狀況，使該技術能夠被業界 所利⽤。在本文中，惠普的 Uday Yadati 解釋了 HP Metal Jet系統如何利⽤MIM生產步驟帶來更進⼀步 的成功。
本文開始
惠普在家⽤和辦公2D列印技術方⾯擁有悠久的技術 和商業領先地位，近年來，惠普在塑膠增材製造的速 度、品質、可靠性和成本方⾯取得重大突破，流行的 HP多噴頭熱觸媒融合系統已經是塑膠3D列印中的翹 楚，基於該技術，HP公司正在繼續推動進⼀步突破， 推出HP第⼀個⾦屬AM系統，專為大規模生產設計： HP Metal Jet，在增材製造零件的設計上，提供生產 和分銷方⾯進⼀步突破。HP Metal Jet採⽤可輕鬆集 成現有的MIM生產線的技術，實現具成本效益的⾦ 屬零件增材製造。HP Metal Jet系統可以具競爭⼒的 成本和品質快速生產⼯業規模的複雜零件和小規模單 ⼀零件運行。
製程與設計的創新
惠普⽤於塑膠的多噴頭熱觸媒融合系統和HP Metal Jet系統旨在克服限制當前AM技術的權衡和限制。 HP在增材製造產品中提供速度、品質和強度，正在 加速在使⽤塑膠和⾦屬部件的各種行業和應⽤採⽤ AM。
惠普的系統基於⾃身擁有的許多關鍵資產，這些資產 使 HP 業務數十年來蓬勃發展。HP Metal Jet 代表了 創新和久經考驗的技術的結合（圖2），該技術通過 消除兩個步驟（模具創建和第⼀階段脫脂）來簡化設 計和製造流程，降低成本和上市時間。由於增材製造 的零件是數位化製造的，因此無需花費時間和⾦錢來 設計和創建模具。
與MIM相關的⼀些設計限制不⼀定適⽤於HP Metal Jet（例如MIM需要拔模角度以及無法製作複雜中空 件、密度變化的產品），HP Metal Jet 允許使⽤者解 鎖⽤於生產的新應⽤系列。HP Metal Jet可以產生比 MIM經常生產零件還要大零件（但無法生產如MIM 小⽽尺寸精密的零件），以及壁厚較大（超過 35 mm）和不同且變化壁厚的零件。該過程不需要拔模 斜度進行脫模，也不留下分段線，更不會留下頂出的 痕跡，並消除了其他幾個與MIM相關的限制。3D 列印不需要有拔模角/頂出針/分型線，可以製作較厚 的壁(~35mm)/大於5mm直徑球體的產品/複雜中 空件/密度變化/厚度變化的零件，但對薄壁/解析 度/細小零件（小於直徑5mm的球體）就無法作出。
此外，與大多數增材製造⼯藝⼀樣，HP Metal Jet允 許在結構和幾何形狀上實現更大的複雜性，生產不能 ⽤其他方法制造的零件。例如，HP Metal Jet支援新 設計，包括晶格、拓撲優化結構（複雜陣列結構）、 複雜的內部通道和其他⽤於大規模生產的複雜幾何 體。零件也可以在沒有支撐結構的情況下製造，並具 有更小的孔，從⽽能夠生產高品質的零件，對其他 AM技術來說將具有更前衛的挑戰性。此外，該技術 還允許零件燒結到與MIM燒結件相當的密度，具有 相似的晶粒結構和各向均質的特性。以BJ(Binder Jet) 黏結劑噴射法的3D列印生坯因為需要燒結所以保有 比較均勻的顯微結構，但 L-PBF (LASER – Puwder Bed Fusion)激光粉體床熔合就因為層與層之間的差異產生不均勻的顯微結構。
為滿足各種應⽤需求，HP Metal Jet提供高生產率、 更低的硬體成本、極具競爭⼒的低成本零件、高構建 品質，以及各種材料在強度、延展性和其他性能方⾯ 的選擇。隨著模具成本的去除和提前開發時間性，小 批量的零件生產成本也更具成本效益。這為設計、外 形和功能創新創造了許多新的可能性，其成本比現有 ⾦屬增材製造解決方案的成本要低得多。
HP Metal Jet的商業優勢是什麼？
採⽤HP Metal Jet的客戶的主要業務優勢包括縮短上 市時間、消除非經常性⼯程成本、通過從事產量較低 或複雜性更高的⼯作來拓展業務的潛⼒零件，以及利⽤財富100強公司影響⼒和經驗的能⼒。
MIM⼯作流可能需要長達六個月的時間才能從客戶訂 單移動到最終部件（這是美式思維，在國內應該需要 少於2周就要有原型、二個月導入量產），這主要是 由於冗長的設計、⼯具製造和驗證流程。消除這些冗長階段，使⽤HP Metal Jet的製造商可以從⼯作流程 中消除固定成本和非經常性⼯程費⽤(NRE)，這樣每個設計可節省30,000~100,000美元。
與當今市場上競爭激烈的增材製造解決方案相比，HP Metal Jet系統可實現高達五十倍的高品質列印速度， 成本更低。例如，HP Metal Jet 在中量運行時，每件 成本低於MIM，沒有高成本的製造商生產的指定專⽤
零件、少批量和單⼀的零件也可以順利生產，也沒有 傳統加⼯的刀具成本令人望⽽卻步。根據複雜性和其 他因素，將交叉點（增材製造比MIM更經濟的生產 量）移動到接近80,000-100,000件（圖5）。
我 們 發 現 MIM 製 造 商 對 小 批 量 生 產（ 例 如 5,000~10,000件）的興趣較低，因為承擔此類⼯作的 成本很高，⽽且客戶傾向於使⽤精密鑄件生產品質更 高的零件（例如在100~200 g或更多的重量）與且更 為複雜性的零件。HP Metal Jet允許製造商應對這兩 個挑戰，簡單地說，這意味著製造商可以接到更多的 訂單，並在更短的時間內找到更多的收入。
HP Metal Jet系統得益於惠普多年來開發2D列印技 術和塑膠AM技術，豐富經驗並獲得的流體沉積解決 方案，可提供準確性和可靠性，以及遠端監控、警報 和故障排除。這樣，系統稼動率可以提高到85%， 成本比大多數其他增材製造解決方案低得多。與其他 HP產品⼀樣，該解決方案提供關鍵功能，如易⽤性、 多功能性和端到端數位⼯作流程。此外，HP還提供 長期可升級性路徑，旨在保護客戶的投資。
HP Metal Jet如何工作?
在開發 HP Metal Jet 的黏結劑噴射技術時，HP 公司 在家庭、辦公和⼯業噴墨印刷、可噴墨和流體、精密 低成本機械、材料科學和成像領域投入了30年，累 積了豐富的經驗。HP Metal Jet系統採⽤惠普專有的 多噴頭整合技術製造，最初⽤於噴墨列印。使⽤HP Metal Jet的⾦屬部件製作過程如下（另見圖 6）：
Spread powder/鋪粉
建構開始時，送粉器以掃描方式在床體⼯作區域鋪設⼀層均勻的⾦屬薄粉末層。
Print agent/噴印黏結劑
HP列印頭噴射HP黏結劑在粉末床上的精確位置，以 定義單件或多個零件的幾何形狀。
Evaporation/溶劑（水）蒸發乾固
黏結劑中的溶劑被蒸發。重新回歸床臺零位， 列印下⼀層
粉體床根據列印層的厚度下降並使噴印頭歸位，該過 程⼀直重複，直到建構完成。
Cure the bed/固化於床臺
加熱帶有建構生坯件的粉床，完成HP黏結劑中溶劑 部件的蒸發，實現生坯具有高強度可移動。
Post-processing steps/後處理步驟
⼀旦在HP Metal Jet構建完成，將生坯去除粉末後拿 去燒結、冷卻和精加⼯（如果需要）的後續步驟。
HP Metal Jet系統的⼀個顯著優勢在於能夠精確以每 秒高達6.3百萬的納米的液滴黏結劑滴到粉體床上的 粉末層，從⽽逐層定義零件的橫截⾯。HP黏結劑是 由惠普熱噴墨列印頭提供的水性液體替代物。
它調配出來並能將⾦屬顆粒結合在⼀起黏結劑沉積之 後。毛細管⼒將HP黏結劑拉入⾦屬顆粒之間的最小 中間部分，以極少量的黏合劑（按重量計= 1%）產 生強壯的生坯件。固化床蒸發黏結劑中所含有的液體 成分並使黏結劑充分固化，以獲得足以移動的高強度 生坯件。
圖7中的紅色箭頭顯⽰了黏結劑如何將⾦屬顆粒固化 在⼀起準備燒結，在此期間，黏結劑會在爐膛中分解， 增材製造的零件通過高溫燒結成為固體的⾦屬部件， 最終實現其機械性質性和尺寸經度。
在MIM中，由⾦屬顆粒、蠟和聚合物組成的喂料 在高壓下注入模具中，MIM喂料中的重量通常小於 93wt%，⽽ HP Metal Jet 的⾦屬粉末重量通常在於 99wt%。⽽且，MIM需要兩階段除垢過程來去除蠟和 骨幹黏結劑，但HP Metal Jet製程根本不需要單獨的 脫脂階段，與MIM相比，⾄少可節省10~20 小時。 在這兩個程序（脫脂和燒結）中，骨幹黏結劑會在燒 結過程中分解。
與 MIM 相比較，HP Metal Jet 中的黏結劑由於以較 低的重量比來使⽤，便於在燒結過程中分解並減少骨 幹黏結劑的殘留，沒有蠟和少量黏結劑的水準對於實 現厚壁和大塊的高生產率非常重要（收縮變形的機會 相對也減小許多，但要小⼼生坯在燒結過程的崩塌）。
是什麼讓HP Metal Jet不同於其他增材製造競爭者？
目前使⽤最廣泛的⾦屬AM技術是鐳射粉體床熔合(L-PBF)，這是⼀個逐點掃描的製程，以高能量激光 掃描並穿過⾦屬粉末層，每⼀次熔化並結合前⼀次熔 化的下層。通常，這是緩慢和昂貴的製程。HP Metal Jet與傳統紙張列印機⼀樣，⼀次使⽤寬區域的陣列 噴墨處理來構建整個層的作法。這是更快、更便宜、 更可靠的製程（圖8）。
HP Metal Jet 相對於 L-PBF 和其他⼀些黏結劑噴射系 統的優勢包括其更高的生產率、專有技術（即熱噴墨 技術和頁寬幅列印條）、高度創新的HP開發的黏結劑以及使⽤原始的MIM常見的材料粉末。HP Metal Jet專為大規模AM生產⽽設計，是批量⾦屬AM的 經濟高效解決方案，具有競爭⼒的購置和更經濟的 運營成本。它生產符合行業標準的高品質最終⾦屬零 件，從不銹鋼合⾦開始。
相對於其他黏結劑噴射系統，惠普⾦屬噴射的主要優 勢是它利⽤了惠普熱噴墨印表機30年的領先優勢。 在此期間，惠普的印表機性能（就熱噴墨列印頭每秒 彈出的滴數⽽言）每十八個月就翻新⼀次（圖9）。
熱噴墨技術應⽤在高品質、堅固的黏結劑噴射系統方 ⾯優於其他的壓電列印頭（圖10）。HP列印頭使⽤ 重疊和數位拼接的噴嘴陣列，因此對誤差的靈敏度較 低。具有4列的噴嘴頭，它們可以容忍噴嘴的故障， ⽽不會影響零件品質或中斷構建（圖11）。
HP熱噴墨列印頭也比傳統壓電列印頭便宜得多，使 ⽤者可以⾃行輕鬆更換，無需浪費等待技術人員的時 間。列印頭的更換成本降低，加上無需技術人員支援 即可安裝，大大降低系統使⽤壽命的運營成本、停機 時間和複雜性。
HP Metal Jet系統使⽤的專有HP黏結劑係利⽤為⼯ 業2D系統製作標牌、橫幅和包裝的代理商開發的化 學藥劑。與其他黏合劑噴射系統使⽤的黏結劑相比， 它具有更高的黏結劑強度和更低的使⽤量，從⽽獲得 更高的零件生坯強度和簡單快捷的脫脂過程。高零件
生坯強度對於實現應⽤廣度、產量和過程⾃動化⾄關 重要。
HP Metal Jet解決方案的原材料是行業標準的不銹鋼 MIM粉末。HP目前正在努⼒推廣⾦屬噴射技術，都 可以處理其他常⽤的MIM⾦屬粉末。
HP Metal Jet對於MIM產業
全球最大的汽車和重⼯業粉末冶⾦零部件供應商GKN 和總部位於美國領先的MIM醫療保健零部件供應商 帕爾馬泰克 (Parmatech) 已經使⽤ HP Metal Jet 生產 零部件。該解決方案將在2019年下半年和2020年選 擇對該技術感興趣的其他合作夥伴，並在2021年廣 泛提供。
通過 GKN，大眾汽車將開始將 HP Metal Jet 納入其 長期設計和生產路線圖（圖12），⾸先生產大規模定 制零件，如個人化鑰匙環和外掛銘牌。這些合作關係 建立在惠普的創新歷史之上，其歷史可追溯到20世 紀30年代，並⼀直延續⾄今。這⼀傳統，加上惠普 業務的規模，旨在為HP Metal Jet客戶提供世界⼀流的能⼒。
西班牙巴賽隆納的一個新的AM園區
惠普最近在西班牙巴賽隆納推出了新的14,000平方米 的增材製造和數位製造卓越中⼼。該網站彙集了惠普 的大量資源和⼯業增材製造專業知識，與客戶、合作 夥伴和社區⼀起推動技術和技能，説明實現數位製造 的好處（圖13）。巴賽隆納的新⼯廠，加上在俄勒岡 州科瓦利斯和華盛頓州溫哥華的現有AM設施，使惠 普得以在競爭中脫穎⽽出，在美國和歐洲都擁有大量 業務。
還能做些什麼?
製造業是在全球經濟的12萬億美元經濟活動中的⼀ 部發動機。如今，增材製造只占該製造業的⼀小部分， 但肯定會很快改變。品質和速度的突破將加速增材製 造的廣泛應⽤，並像惠普熱噴墨技術改變傳統2D格 局的方式⼀樣，實現大規模和深刻的製造數位化轉型 印刷市場和應⽤。
惠普擁有技術、印刷領域領導地位和智慧財產權的傳 統，以及為⾦屬AM市場革命⽽帶來的協同效應和全 球支援服務。在惠普，我們正在改變世界設計和製造 的方式，借助惠普⾦屬噴氣機，我們為客戶開啟⼀系 列新的機遇。■
This paper was populated on page 77-83 Vol.13 No.3, September 2019, Powder Injection Molding International. 本文發表於國際粉末注射成形期刊2019年9月份第 十三卷第三期第77~83頁
