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與 L/E-PBF 粉末床熔融金屬3D打印工藝相比，在 MBJ 粘結劑噴射金屬增材制造工藝中，金屬顆粒不是通過能量輸入來熔合的，而是使用液體粘合劑簡單地粘合，接下來是所謂的生坯部件的脫脂和燒結，從而去除粘合劑，金屬顆粒通過擴散過程進入金屬鍵并形成幾乎致密的成分。
盡管通過MBJ 粘結劑噴射金屬增材制造降低組件的制造成本是可能的，而且醫(yī)療技術尤其為MBJ 粘結劑噴射金屬3D打印工藝提供了許多有前景的應用，但這一突破尚未實現(xiàn)。 不僅MBJ 粘結劑噴射金屬3D打印工藝所需要的必要的投資成本仍然與成熟的 L/E-PBF 粉末床熔融金屬3D打印系統(tǒng)相當，而且還缺乏針對鈦等生物材料的醫(yī)學認證工藝路線，以及合適的粉末調理策略，缺乏直接使用MIM粉末將粘合劑噴射集成到相應的工藝路線中。
從干燥到更好的3D打印
德國弗勞恩霍夫Fraunhofer IAPT研究所及其研究合作伙伴,利用統(tǒng)計實驗設計研究了提高流動性的不同粉末干燥策略。由于其與醫(yī)療應用的相關性，尺寸分布低于 25 μm 的球形 Ti-6Al-4V 粉末在各種參數(shù)下使用真空和氣體吹掃進行干燥。研究的參數(shù)、時間和溫度是在具有十一個測試和三個中心點的中心復合邊界測試計劃中選擇的，分析了粉末的目標參數(shù)——水含量、流動性和雜質水平（氧、氮）。為了進行驗證，在工業(yè)粘結劑噴射系統(tǒng)上進行了實際測試試驗，對于所研究的粉末，確定了在 200°C 下持續(xù) 6 小時的優(yōu)化干燥周期。組件的尺寸精度（從 ±1.5% 提高到 0.3%）和粉末床的視覺效果得到顯著改善。
目前生物醫(yī)學應用和假肢最相關的材料是鈦及其合金，因為它們具有生物相容性、無毒等特性以及良好的機械性能。與 L-PBF粉末床激光熔融或 E-PBF 粉末床電子束熔融等基于熔融的增材制造技術相比，MBJ粘結劑噴射金屬3D打印工藝在鈦合金制造方面顯示出明顯的優(yōu)勢，特別是在創(chuàng)建個性化生物醫(yī)學設備方面。舉例來說，目前治療手指關節(jié)疾病的形式，無論是類風濕性關節(jié)炎還是外傷，通常都會導致關節(jié)僵硬。此前，弗勞恩霍夫Fraunhofer IAPT開發(fā)了一種方法，可以生產在生物力學負載方面高要求的小型且精細的個性化植入物。根據(jù)3D科學谷的了解，F(xiàn)raunhofer IAPT 采用的增材制造技術是基于粘結劑的3D打印制造技術。
顯著提高生坯的質量
無需支撐結構即可生產特別復雜的零件，與L-PBF粉末床激光熔融和E-PBF粉末床電子束熔融相比，MBJ可以避免熱應力，防止形狀變形和開裂，并且不會引起不良的微觀結構特征或材料損失，確保高材料回收效率和成本效益，特別是對于昂貴的材料。盡管有這些優(yōu)點，但關于鈦及其合金以及細 MIM 金屬注射成型用金屬粉末用于MBJ 粘結劑噴射金屬3D打印工藝缺乏全面的研究。
德國弗勞恩霍夫Fraunhofer IAPT研究所目前工作的目的是比較不同的干燥策略，研究相關性，特別是與所研究粉末的流動性有關的相關性，并找到優(yōu)化的調節(jié)策略，當前的發(fā)現(xiàn)如下：
較長且較溫暖的干燥時間可改善流動性并降低水含量的假設是可以接受的。分析干燥模型后，確定了 200 °C 下 6 小時的優(yōu)化干燥周期。
可以說，Ti-6Al-4V粉末的調質工藝顯著提高了其流動性。初次使用前，建議干燥新粉末。由于交付和儲存時間不確定，新粉末中的水分含量可能會有很大差異。干燥粉末可以顯著提高生坯的質量，特別是表面紋理和尺寸精度。
干燥調節(jié)還有助于減少3D打印過程錯誤。值得注意的是，調節(jié)時間的影響比溫度的影響更明顯。
弗勞恩霍夫Fraunhofer IAPT研究所下一步工作的主題將包括研究開發(fā)的調節(jié)策略如何影響材料的再利用?？梢宰C明，對于單獨的干燥循環(huán)，氧氣或氮氣沒有增加?？傮w而言，對于MBJ粘結劑噴射金屬3D打印工藝所使用的鈦及其合金的回收利用還缺乏深入的研究，通過建立粉末調節(jié)和鈦粉末再利用的具體指南，MBJ粘結劑噴射3D打印技術可以提高材料效率，而不必冒犧牲組件可靠性的風險，特別是在用于醫(yī)療組件制造的情況下。
晶格孔隙率量化
對晶格結構打印態(tài)和熱等靜壓態(tài)（HIP）分別進行X 射線斷層掃描，并提出了晶格體積分數(shù)、空隙率和孔隙率的概念。晶格體積是指晶格內材料的體積，空隙體積是掃描晶格內空隙的體積。空隙體積比是由總晶格體積歸一化的空隙總體積。計算空隙體積比，以量化孔隙率占總晶格體積的百分比。可以觀察到，熱等靜壓在降低晶格結構的孔隙率方面是有效的，4mm晶胞尺寸對HIP的響應更大，空隙體積比降低了40%，而2mm晶胞尺寸樣品的空隙體積比僅降低了22%。還觀察到基于樣品的晶胞尺寸的孔隙率變化。具有4mm晶胞的HIP樣品的孔隙率降低了57%，2mm晶胞尺寸的樣品的孔隙率減少了44%。
這意味著，孔隙率受晶胞尺寸和熱處理的影響，2mm晶胞尺寸的樣品不易形成孔隙。對比經過熱等靜壓處理的樣品，發(fā)現(xiàn)熱處理可降低孔隙率，而且4mm單元晶格比2mm單元晶格對熱等靜壓熱處理更敏感。
變形機制
剪切帶已被認為是結晶金屬適應塑性的局部變形機制之一。位錯的集體運動或機械孿生經常導致顯微剪切帶發(fā)生。剪切帶也可以在結構層面表現(xiàn)出來。據(jù)報道，結構剪切帶出現(xiàn)在金屬泡沫和晶格結構中。晶格結構中結構剪切帶的出現(xiàn)是通常與負載下降同時發(fā)生，從而導致能量吸收能力的損失。更好地了解觸發(fā)結構剪切帶形成的潛在微觀和宏觀機制，可能會獲得控制它們的必要知識。
3D打印GRCop-84銅合金晶格結構的變形和坍塌機制取決于熱處理和晶格的晶胞尺寸。在GRCop-84銅合金晶格結構的壓縮測試中觀察到兩種主要的變形機制。第一種機制是剪切帶形成，導致結構中的晶胞以45度角塌陷；第二種機制是逐層塌陷直至致密化。在未接受熱等靜壓的4mm晶胞樣品中，剪切帶形成導致的失效成為主要變形機制。
準靜態(tài)和動態(tài)壓縮測試結果表明，變形趨勢與相對密度無關。無論拓撲結構和晶胞大小如何，打印態(tài)樣品在屈服后突然負載下降與結構剪切帶形成或局部不穩(wěn)定導致層突然坍塌一致。具有4mm晶胞的GRCop-84結構在經熱等靜壓后可以在屈服開始時去除剪切帶。由2mm晶胞制成的熱等靜壓態(tài)結構增加了流動應力，并消除了準靜態(tài)測試期間的突然負載下降。在動態(tài)加載過程中，熱等靜壓帶來的微觀結構變化并未顯著改善相同拓撲結構樣品之間的流動應力。
熱等靜壓過程所帶來的孔隙率降低是將主要坍塌機制從剪切帶變?yōu)橹饘犹闹饕蛩?。準靜態(tài)和動態(tài)測試結果表明熱等靜壓能夠改變晶格結構的機械響應，其通過降低孔隙率和釋放樣品內的殘余應力來改變微觀結構。由于殘余應力的存在，打印態(tài)樣品表現(xiàn)出更高的屈服點，在10%應變下強度急劇下降，一直持續(xù)到晶格結構完全致密化。
END
具有晶格結構的GRCop-84可制造具有更高換熱效率的器件，這是由于GRCop-84的高導熱性和表面積增加所致，晶格結構的可控固有空間和表面積使它們非常適合熱交換器等熱應用。除此之外，在如今結構、功能一體化設計的趨勢下，研究高功能下的結構性能是不可忽視的重要組成部分。總的來說，這項研究首次看到了采用3D打印制造的GRCop銅合金晶格結構。
