专栏 l 一文看懂粘结剂喷射3D打印技术的发展与市场运用
粘结剂喷射3D打印技术（binder jetting）是由麻省理工的Ely Sachs与Mike Cima在1993年研发的，该技术在喷墨打印机基础上，衍变为将粘结剂喷射到塑料粉末床上。然而，很快这种粘结塑料粉末的技术就不流行了，取而代之的是粘结砂子和金属。
粘结剂喷射3D打印技术具有工业级效率、速度快、设备成本低、无需额外支撑等特点，再加上允许大尺寸打印、多材料打印（砂子、PMMA材料、金属材料）适应于批量生产的特点，使其成为投资者在3D打印领域投资的热门技术。IDTechEx预测到2025年将会有37,000台粘结剂喷射设备，这意味着粘结剂喷射3D打印技术将迎来新的发展。
本期谷.专栏文章中，作者从制造原理入手，分析了粘结剂喷射3D打印技术的特点，目前已经投入该技术设备研发的代表性企业及其他们的技术发展情况。
▲Desktop Metal 粘结剂喷射3D打印展示
粘结剂喷射3D打印技术的原理是通过材料喷射和烧结工艺的相互结合来生产密度金属零部件。
▲粘结剂喷射技术3D打印原理
关键点1 粘结剂是质量关键。在喷射阶段，粘结剂对不同粉末材料粘结的稳定性和后期烧结工艺是否收缩变形起到了至关重要的作用。可以说粘结剂的化学技术就是粘结剂喷射金属3D打印技术的关键核心。
关键点2 多喷头提升打印速度。由于其是多喷头喷射粘结剂的特点，相对于目前市场上流行的单喷头的激光相关的3D打印技术而言，其制造速度是后者的数百倍，效率大大提升。
关键点3 使用材料范围广。由于使用粘结的方式，打印时不需要加热，后期烧结去除粘结剂时才涉及温度变化。对材料要求的降低，在理论上使得该技术适合于很多不同的材料的打印。
关键点4 烧结工艺。烧结工艺是保证质量的关键之一，工艺过程要有效去除粘结剂，同时保证形态不发生改变，这与材料的热处理工艺息息相关。
关键点5 粉末支撑。粘结剂喷射技术在打印环节没有温度变化，材料内应力小，可以依靠粉末实现自支撑，不需要额外的支撑设计，实现材料的100%利用和一次多量打印，这点是有别于其他增材制造方法的核心之一。同时粉末在完成一次打印后，没有温度变化引起的粉末粘合，不需要清理和筛分，可直接回收利用，这点是有别于其他增材制造方法的核心之一。
关键点6 环境要求低。粘结剂喷射技术在打印环节没有温度变化和化学变化，金属粉末不会因为高温而氧化，所以普通打印环境就可以持续打印，这大大降低了设备的设计要求。
综合以上6点，这项技术才具有了：高效率，低成本，适合批量化生产的特点。但是由于粘结剂化学技术还不是非常成熟，加之材料的粉末质量问题，这项技术所制造出的产品精度目前还不能与激光相关3D打印技术相媲美。
当前在粘结剂喷射3D打印技术方面发展的代表企业包括：voxeljet-维捷、Digital Metal、GE 、惠普(HP) 、 Desktop Metal 。笔者在这里对这些企业的基本情况和在该技术方面的研发与应用情况做了梳理。
voxeljet-维捷
voxeljet-维捷是全球领先工业级3D打印系统制造商之一，可实现产品的无模化生产。
维捷在3D打印砂芯制造应用方面积累有着自己丰厚的经验与市场运用。在德国、美国、英国、印度和中国均有自己的分支机构，其VX200-4000系列5种粘结剂喷射3D打印设备，包含了从实验室级别到4米级目前世界最大的喷射成型技术3D打印机，形成系列化的产品，设备应用领域广泛。
以voxeljet-维捷的VX4000设备分析，打印头具有超过25000个可单独控制的喷嘴和1100毫米的打印宽度，打印机的打印速度可达每小时120升。在航空航天部件等许多应用中，现在可以使用粘结剂喷射技术与金属铸造相结合的方式，经济地构建几乎任何尺寸的零件：例如大型机械结构框架，以及车辆核心零部件：泵体、阀体、排气歧管、壳体、以及能源行业的闭式叶轮。这些是与复杂、大尺寸、高精度、难加工紧密联系的技术高地。
Digital Metal
Digital Metal 是瑞典金属粉末制造商 Höganäs集团公司旗下的企业，Digital Metal推出了粘结剂喷射技术的金属增材制造设备：DMP 2500。这款机器使用金属粉末，能进行连续生产。
打印速度高达100立方厘米/小时，打印层厚为42微米。它有一个较大的构建体积，为2500立方厘米，单次可以打印多达50000个的零件。DM P2500的其他技术规格包括：35分微米的XY分辨率，处理前的平均表面粗糙度为Ra6微米。这些数字意味着打印机可以生产出“具有医疗级平滑度的复杂结构”，即使打印件的尺寸很小。DMP 2500能处理几种材料，因为打印后还会进行烧结。使用粘结剂为环氧树脂，由喷嘴根据部件的几何形状精确地喷射粘合剂，层层粘结材料，该过程一直持续到零件完成。整个打印过程以受控的方式进行。最后，在烧结炉中将粘结剂烧掉以获得纯粹的金属零件。
▲ DMP2500 打印的实物
Digital Metal迄今已有三种材料包括316L和17-4PH不锈钢，以及Ti6Al4V钛合金。正在验证其他材料，将来会有更多的材料被纳入进来，包括银和金，因为粘接剂非常适合珠宝制造。
目前的订单中最大的有每年大约30000个零件，较小批次有3000至3500个零件的制作需求。其中包括瑞士制表厂Montfort Watches，通过粘结剂喷射3D打印技术制作不锈钢表盘。
GE
GE增材制造于2017年底宣布进入粘结剂喷射金属3D打印领域，并推出了“H1”原型机。其构建体积为：300 x 300 x 350 mm 。仍有一款构建体积为原型设备2-3倍的设备目前正在研发中。原型设备的打印速度为40立方英寸（655立方厘米）/小时。
在GE的粘结剂喷射技术的应用推广方面，GE 增材制造的总经理Ehteshami 表示，每年仅是GE内部就会消耗大量的金属铸件。传统的金属铸造工艺周期长，模具制造成本高，很多情况下不能满足制造业产品快速迭代的需求以及控制成本的需求。这个情况在航空航天行业和汽车制造行业尤为突出。所以，这两个行业对于引进可以提高生产效率的新技术也最为积极。
▲GE H2
在整个2018年，GE开发了第二代H2粘结剂喷射金属3D打印设备，并开始与众多战略合作伙伴和主要客户合作，通过测试计划以快速促进其技术的商业化进程。 美国西屋制动-Wabtec Corporation是一家全球铁路和运输行业制造商，已投资GE增材制造的H2粘结喷射技术，以扩大其在运输行业不断增长的应用需求，并建立其增材制造战略。
HP
惠普作为著名的打印机(平面印刷) 制造商拥有非常成熟的喷墨喷嘴技术，其多射流熔融塑料3D打印工艺也是在此基础上形成的。如今，惠普再次发挥了在喷墨喷嘴领域的技术优势，研发了基于喷射技术的金属3D打印技术。
HP Metal Jet 3D打印技术主要流程如下：
使用喷嘴选择性地将粘合剂喷射到打印层中；
添加新的粉末层，并重复以上流程，直到创建完成整个零件；
从粉末中取出零件并晾干；
将零件放入烧结炉中，使金属颗粒熔融在一起。
在打印过程中没有金属融合的步骤，金属粉末材料的烧结是打印完成之后在烧结炉中完成的。惠普公司称，通过这一技术制造的金属零件表面粗造度在Ra 4-7 。
▲HP Metal Jet Fusion 工艺
目前，HP正在与合作伙伴GKN 共同优化面向零件批量生产的粘结剂喷射完整增材制造价值链。
Desktop Metal
通过Desktop Metal生产系统采用专有的单通道喷射（SPJ）技术。2017年7月16日，Desktop Metal宣布完成1.15亿美元的D轮融资项目，以进一步加速公司成长和推进其端到端的金属增材制造系统。这使得Desktop Metal的融资从2015年10月开始总共达到2.12亿美元，从而晋升为投资界的又一独角兽企业。在2019年初，Desktop Metal 又获得了1.6亿美元的Corporate轮融资,总融资金额达4.38亿美元。
▲Desktop Metal 打印样件
有趣的是GE投资了Desktop Metal，其原因是GE看到通过Desktop Metal的设备，工程师有很大的潜力重新思考零件和产品的设计与制造方式。
综合以上情况，笔者以一张表总结一下目前市场上代表性的粘结剂喷射3D打印技术：
随着技术的进步和市场的竞争，粘结剂喷射技术将持续发展，给市场创造新的价值。在金属3D打印领域，福特和大众汽车已经开始使用粘结剂喷射金属3D打印技术开展零件的小批量生产。
然而作为汽车制造中大量使用的铝合金材料，一直以来难以搭上粘结剂喷射技术的顺风船，以更低的成本和更高的效率实现汽车零部件增材制造。主要原因是粘结剂喷射3D打印工艺在完成打印后需要进行烧结后处理，在此过程中易导致铝合金燃烧，这是粘结剂喷射3D打印进行铝合金加工的一大挑战。
材料科学企业Equispheres 开发了一种适用于粘结剂喷射3D打印的新型铝合金粉末。Equispheres 与加拿大麦吉尔大学合作对AlSi10Mg铝合金粉末进行了测试，观察到 Equispheres标准AlSi10Mg铝合金粉末具有无压缩、亚固相烧结，以及具有良好的致密化（优于95％）和优异的微观结构等特点，该材料能够适用粘结剂喷射3D打印及其后处理中的烧结过程。
从这个角度来看，可用于粘结剂喷射技术的铝合金粉末则为该技术的应用打开了新空间。但粘结剂喷射3D打印铝合金的机械性能与硬度能否满足汽车零部件制造领域的要求，还需要拿事实说话。
在笔者看来，AlSi10Mg压铸铝合金等在传统制造领域得到普遍应用的材料，将引起粘结剂喷射金属3D打印设备企业的兴趣，首先在零件的小批量、无模具快速生产方面为粘结剂喷射金属3D打印技术迎来更多应用空间。长期来看，包括材料、面向该工艺的增材制造设计、打印工艺、粉末清除工艺，以及打印完成后的烧结工艺在内的完整粘结剂喷射增材制造工艺，将使得该技术逐渐融入到零部件的量产领域。
参考资料：
《粘结剂喷射铝合金材料是否将加速汽车制造业应用3D打印技术？》
《Insights l 3D打印进入主流制造技术的最新状态 -下篇》
《挖掘小型零件批量生产能力，粘结剂喷射技术在汽车零件制造中的应用》
《产业链的融合，粉末制造商瑞典Höganäs推出金属3D打印设备》
林传春
在3D打印行业从业多年，一直在3D打印技术方面以DfAM的设计思维做实践运用。立志推广3D打印技术的运用，希望让更多人感受到3D打印带给人们的价值。
作者交流联系方式：
邮箱：1209320732@qq.com
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