粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)的未來發(fā)展與市場運用

（文章來源：3DScienceValley）

粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)（binder jetting）是由麻省理工的Ely Sachs與Mike Cima在1993年研發(fā)的，該技術(shù)在噴墨打印機基礎(chǔ)上，衍變?yōu)閷⒄辰Y(jié)劑噴射到塑料粉末床上。然而，很快這種粘結(jié)塑料粉末的技術(shù)就不流行了，取而代之的是粘結(jié)砂子和金屬。

粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)具有工業(yè)級效率、速度快、設(shè)備成本低、無需額外支撐等特點，再加上允許大尺寸打印、多材料打印（砂子、PMMA材料、金屬材料）適應(yīng)于批量生產(chǎn)的特點，使其成為投資者在3D打印領(lǐng)域投資的熱門技術(shù)。IDTechEx預(yù)測到2025年將會有37,000臺粘結(jié)劑噴射設(shè)備，這意味著粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)將迎來新的發(fā)展。

本期谷.專欄文章中，作者從制造原理入手，分析了粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)的特點，目前已經(jīng)投入該技術(shù)設(shè)備研發(fā)的代表性企業(yè)及其他們的技術(shù)發(fā)展情況。粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)的原理是通過材料噴射和燒結(jié)工藝的相互結(jié)合來生產(chǎn)密度金屬零部件。

關(guān)鍵點1粘結(jié)劑是質(zhì)量關(guān)鍵。在噴射階段，粘結(jié)劑對不同粉末材料粘結(jié)的穩(wěn)定性和后期燒結(jié)工藝是否收縮變形起到了至關(guān)重要的作用?？梢哉f粘結(jié)劑的化學(xué)技術(shù)就是粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)的關(guān)鍵核心。關(guān)鍵點2多噴頭提升打印速度。由于其是多噴頭噴射粘結(jié)劑的特點，相對于目前市場上流行的單噴頭的激光相關(guān)的3D打印技術(shù)而言，其制造速度是后者的數(shù)百倍，效率大大提升。

關(guān)鍵點3使用材料范圍廣。由于使用粘結(jié)的方式，打印時不需要加熱，后期燒結(jié)去除粘結(jié)劑時才涉及溫度變化。對材料要求的降低，在理論上使得該技術(shù)適合于很多不同的材料的打印。關(guān)鍵點4燒結(jié)工藝。燒結(jié)工藝是保證質(zhì)量的關(guān)鍵之一，工藝過程要有效去除粘結(jié)劑，同時保證形態(tài)不發(fā)生改變，這與材料的熱處理工藝息息相關(guān)。

關(guān)鍵點5粉末支撐。粘結(jié)劑噴射技術(shù)在打印環(huán)節(jié)沒有溫度變化，材料內(nèi)應(yīng)力小，可以依靠粉末實現(xiàn)自支撐，不需要額外的支撐設(shè)計，實現(xiàn)材料的100%利用和一次多量打印，這點是有別于其他增材制造方法的核心之一。同時粉末在完成一次打印后，沒有溫度變化引起的粉末粘合，不需要清理和篩分，可直接回收利用，這點是有別于其他增材制造方法的核心之一。

關(guān)鍵點6環(huán)境要求低。粘結(jié)劑噴射技術(shù)在打印環(huán)節(jié)沒有溫度變化和化學(xué)變化，金屬粉末不會因為高溫而氧化，所以普通打印環(huán)境就可以持續(xù)打印，這大大降低了設(shè)備的設(shè)計要求。綜合以上6點，這項技術(shù)才具有了：高效率，低成本，適合批量化生產(chǎn)的特點。但是由于粘結(jié)劑化學(xué)技術(shù)還不是非常成熟，加之材料的粉末質(zhì)量問題，這項技術(shù)所制造出的產(chǎn)品精度目前還不能與激光相關(guān)3D打印技術(shù)相媲美。

當前在粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)方面發(fā)展的代表企業(yè)包括：voxeljet-維捷、Digital Metal、GE 、惠普(HP) 、 Desktop Metal 。筆者在這里對這些企業(yè)的基本情況和在該技術(shù)方面的研發(fā)與應(yīng)用情況做了梳理。voxeljet-維捷是全球領(lǐng)先工業(yè)級3D打印系統(tǒng)制造商之一，可實現(xiàn)產(chǎn)品的無模化生產(chǎn)。

維捷在3D打印砂芯制造應(yīng)用方面積累有著自己豐厚的經(jīng)驗與市場運用。在德國、美國、英國、印度和中國均有自己的分支機構(gòu)，其VX200-4000系列5種粘結(jié)劑噴射3D打印設(shè)備，包含了從實驗室級別到4米級目前世界最大的噴射成型技術(shù)3D打印機，形成系列化的產(chǎn)品，設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。

以voxeljet-維捷的VX4000設(shè)備分析，打印頭具有超過25000個可單獨控制的噴嘴和1100毫米的打印寬度，打印機的打印速度可達每小時120升。在航空航天部件等許多應(yīng)用中，現(xiàn)在可以使用粘結(jié)劑噴射技術(shù)與金屬鑄造相結(jié)合的方式，經(jīng)濟地構(gòu)建幾乎任何尺寸的零件：例如大型機械結(jié)構(gòu)框架，以及車輛核心零部件：泵體、閥體、排氣歧管、殼體、以及能源行業(yè)的閉式葉輪。這些是與復(fù)雜、大尺寸、高精度、難加工緊密聯(lián)系的技術(shù)高地。

Digital Metal 是瑞典金屬粉末制造商 Hgans集團公司旗下的企業(yè)，Digital Metal推出了粘結(jié)劑噴射技術(shù)的金屬增材制造設(shè)備：DMP 2500。這款機器使用金屬粉末，能進行連續(xù)生產(chǎn)。

打印速度高達100立方厘米/小時，打印層厚為42微米。它有一個較大的構(gòu)建體積，為2500立方厘米，單次可以打印多達50000個的零件。DM P2500的其他技術(shù)規(guī)格包括：35分微米的XY分辨率，處理前的平均表面粗糙度為Ra6微米。這些數(shù)字意味著打印機可以生產(chǎn)出“具有醫(yī)療級平滑度的復(fù)雜結(jié)構(gòu)”，即使打印件的尺寸很小。DMP 2500能處理幾種材料，因為打印后還會進行燒結(jié)。使用粘結(jié)劑為環(huán)氧樹脂，由噴嘴根據(jù)部件的幾何形狀精確地噴射粘合劑，層層粘結(jié)材料，該過程一直持續(xù)到零件完成。整個打印過程以受控的方式進行。最后，在燒結(jié)爐中將粘結(jié)劑燒掉以獲得純粹的金屬零件。

Digital Metal迄今已有三種材料包括316L和17-4PH不銹鋼，以及Ti6Al4V鈦合金。正在驗證其他材料，將來會有更多的材料被納入進來，包括銀和金，因為粘接劑非常適合珠寶制造。目前的訂單中最大的有每年大約30000個零件，較小批次有3000至3500個零件的制作需求。其中包括瑞士制表廠Montfort Watches，通過粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)制作不銹鋼表盤。
（責(zé)任編輯：fqj）