納米顆粒噴射金屬3D打印技術！XJet 打造端到端自動化工業金屬增材制造解決方案

在增材制造行業，我們經常談論更快的打印速度以及零件從CAD模型到打印機中實際結構的快速轉化，但對生產鏈中這一特定（盡管至關重要）步驟的關注有時會掩蓋從設計到真正成品、可直接投入使用的組件所需的時間。簡而言之，金屬零件從打印平臺上取下后就被視為成品的情況非常少見。

XJet是一家專注于金屬和陶瓷材料噴射成型解決方案的公司，他們將這種現象稱為“打印完成”和“生產就緒”之間的差距。“金屬增材制造行業已經非常擅長展示打印完成的瞬間——從粉末床上取出的嶄新零件或剛從打印平臺上取下的光滑表面，這些畫面令人賞心悅目。XJet解釋道：“技術規格通常會重點介紹 打印體積、層厚、激光功率和材料選項 ，但打印后數小時、數天甚至數周內發生的事情，在演示文稿和產品手冊中卻很少被提及。”

任何制造商都清楚，打印后的所有步驟都會顯著影響 交貨周期、人工需求和成本 。例如，去除支撐結構通常需要熟練的技術人員和專用工具；熱處理循環需要變形補償策略；表面精加工步驟對于復雜幾何形狀的零件而言，耗時可能高達總制造時間的 80%；以及對于無法進行自動化后處理的精密零件，需要遵循特定的零件處理流程。此外，迭代周期或故障處理也會耗費大量時間。

△視頻：南極熊專訪以色列XJET

為了縮短并最終消除“打印完成”和“生產就緒”之間的差距，必須提升整個生產鏈的效率。XJet正是秉持著這一理念，致力于為客戶提供一次性成功的解決方案，旨在集成覆蓋整個數字化制造周期的自動化架構。

從打印到后處理的集成硬件

XJet端到端金屬增材制造解決方案的核心是 納米顆粒噴射（NPJ）技術 。這項技術已通過XJet的 Carmel系列3D打印機 實現商業化，它是一種無粉工藝，利用數千個打印噴嘴將墨水（由專利液體和金屬納米顆粒組成）選擇性地沉積到構建托盤上。噴嘴還會同時在需要的位置精確沉積支撐材料，以防止懸垂或復雜幾何形狀的部件發生坍塌。每層完成后，構建托盤下降，然后沉積新的一層。這一過程在高達 160攝氏度 的溫度下進行，使包裹在每個金屬顆粒周圍的“液態外殼”蒸發，金屬顆粒在沉積過程中相互結合，最終形成密度和冶金性能與傳統制造的金屬零件相當的金屬結構。

NPJ工藝的固有特性有效地簡化了后生產步驟。例如，XJet工藝中使用的支撐材料是水溶性的，因此可以通過簡單的自動清洗流程輕松去除，無需人工移除支撐材料，也省去了專業技術人員的工作。支撐材料的去除采用公司自主研發的 SMART（支撐材料自動去除技術） 解決方案，這套無需人工干預的系統可以輕松編程以適應不同的作業類型，并對清洗過程進行全程監控。

值得注意的是，XJet 工作流程中的燒結階段具有優勢，因為由此產生的收縮是各向同性的（在三個軸向上均勻），并且高度可預測。這是因為 NPJ 在成型材料中使用了 金屬納米顆粒 ，從而形成幾乎不含空氣或粘合劑的“生坯”。具體而言， 收縮率是可預測的（≈15%） ，而其他基于粘合劑的工藝通常會經歷更高且不均勻的收縮，最高可達 25%。

此外，由于采用無粉工藝（墨水安全地封裝在墨盒中），XJet 的解決方案僅使用必要的材料，無需任何除粉或粉末管理步驟——這些步驟不僅會延長端到端生產鏈的時間，還會帶來安全隱患。總體而言，XJet 的工作流程（包括 NPJ 打印、清洗和燒結）能夠打印具有復雜幾何形狀和高質量表面光潔度（1440 DPI分辨率和小于 10 微米的層厚）的金屬零件。這省去了諸如機械加工和研磨等后處理步驟，而這些步驟有時會在打印后用于平滑粗糙表面并實現嚴格的公差。

XJet 軟件套件一次成功

上述硬件解決方案的基礎是XJet的軟件套件，它為用戶提供直觀且高度自動化的零件準備、打印和后處理流程。軟件套件包含三個程序，首先是 自動零件規劃軟件X-Plan 。借助X-Plan，用戶可以輕松上傳CAD模型，并享受自動零件定向和快速零件布局功能，還可以從各種預設的增材制造模式中進行選擇。此外，用戶無需修改零件設計來考慮燒結收縮，軟件會自動完成這項工作。

套件中的第二個軟件是 X-Hub ，它是一款 作業管理程序 ，集成了專有的切片軟件、作業管理工具，并能自動為整個打印托盤生成高效的支撐結構。由于 XJet 使用專用的可溶性支撐材料，X-Hub軟件經過優化，僅在結構需要的地方放置支撐材料。這省去了傳統手動設計支撐所需的耗時、精力和猜測，確保了材料利用率最高，并在無需高技能技術人員的情況下實現最佳打印質量。

XJet 還擁有 X-Print 程序 ，這是一款 包含系統控制和管理工具 的生產軟件。X-Print 通過用戶友好的觸摸屏圖形用戶界面 (GUI) 進行訪問，并提供各種向導來簡化數字化生產流程。這套包含三個組件的軟件旨在簡化生產準備和控制，最大限度地減少用戶操作，同時確保流程優化。

設計自由如何創造價值

XJet 基于 NPJ 的數字生產鏈強調精簡流程，不僅加快了打印速度，還簡化甚至省去了印后處理步驟。總而言之，XJet 的解決方案可以將原本需要數周的生產流程縮短至短短幾天，具體方式如下：

(1) 使用自動清洗站簡化支撐物移除過程

(2) 打印高分辨率零件，幾乎無需后續加工。

(3) 將脫脂和燒結結合在一個步驟中

對于航空航天、醫療保健和消費品等對精度要求極高的行業而言，能夠打印小型、復雜、高分辨率且燒結后幾乎無需后續加工的金屬零件極具吸引力。正如XJet所說，目標客戶來自高價值行業，這些行業對精度和復雜性的要求決定了高端制造工藝的價值。

值得注意的是，XJet并非那些試圖將自身技術定位為傳統制造方式替代品的增材制造公司之一。他們的解決方案帶來了全新的理念，而這在以前由于傳統金屬生產方法的設計限制而無法實現。

例如，在消費領域，XJet 的端到端金屬增材制造解決方案擁有多種應用，包括無需模具、只需極少組裝即可打印的手表表帶和配件、可定制的貴金屬珠寶以及復雜的眼鏡鏡腿末端部件。在醫療保健領域，XJet 技術的高精度已被證明非常適合各種應用，例如用于機械臂的高精度手術針頭和可擴展定制的皮下輸液管。在航空航天和工業領域，金屬增材制造工藝在制造復雜的機械部件、液壓系統等方面具有重要價值。

這些行業以及其他行業都能從XJet公司致力于縮小打印件與生產就緒件之間差距的努力中獲益匪淺，從而實現更短、高度自動化的生產周期，并最大限度地減少后處理步驟。對于某些特定幾何形狀，XJet 僅需 48 小時即可完成從CAD 模型到生產就緒件的整個作業周期。

Carmel Pro 擴大了使用范圍

通過推出緊湊且經濟高效的NPJ平臺CarmelPro，這種精簡的生產能力已擴展到更廣泛的用戶群體。這款新解決方案提供與大型Carmel系統相同的精度和質量，同時為中小企業、研究中心和珠寶制造商敞開了大門，使他們能夠負擔得起以往大型解決方案可能帶來的高昂成本。

Carmel Pro 的成型尺寸為350 x 140 × 80 毫米（相比之下，Carmel 1400 的成型尺寸為 500 x 140 毫米），并兼容所有 XJet 材料，包括當前和未來的陶瓷及金屬墨水。Carmel Pro 硬件還配備四個材料通道，可實現多材料打印。最值得一提的是，這套系統的價格比高端 Carmel 系統低 70%，售價約為30 萬美元。這一全新平臺將 XJet 獨特的價值主張——集成化、精簡的生產流程——帶給更廣泛的客戶群體，進一步助力用戶開發創新且復雜的產品。