粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)的未來(lái)發(fā)展與市場(chǎng)運(yùn)用

（文章來(lái)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(jī)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(jí)效率、速度快、設(shè)備成本低、無(wú)需額外支撐等特點(diǎn)，再加上允許大尺寸打印、多材料打?。ㄉ白?、PMMA材料、金屬材料）適應(yīng)于批量生產(chǎn)的特點(diǎn)，使其成為投資者在3D打印領(lǐng)域投資的熱門(mén)技術(shù)。IDTechEx預(yù)測(cè)到2025年將會(huì)有37,000臺(tái)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(lái)新的發(fā)展。

本期谷.專(zhuān)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(diǎn)，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(guò)材料噴射和燒結(jié)工藝的相互結(jié)合來(lái)生產(chǎn)密度金屬零部件。

關(guān)鍵點(diǎn)1粘結(jié)劑是質(zhì)量關(guān)鍵。在噴射階段，粘結(jié)劑對(duì)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(shuō)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(diǎn)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(diǎn)，相對(duì)于目前市場(chǎng)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(diǎn)3使用材料范圍廣。由于使用粘結(jié)的方式，打印時(shí)不需要加熱，后期燒結(jié)去除粘結(jié)劑時(shí)才涉及溫度變化。對(duì)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(diǎn)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(guò)程要有效去除粘結(jié)劑，同時(shí)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(diǎn)5粉末支撐。粘結(jié)劑噴射技術(shù)在打印環(huán)節(jié)沒(méi)有溫度變化，材料內(nèi)應(yīng)力小，可以依靠粉末實(shí)現(xiàn)自支撐，不需要額外的支撐設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)材料的100%利用和一次多量打印，這點(diǎn)是有別于其他增材制造方法的核心之一。同時(shí)粉末在完成一次打印后，沒(méi)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(diǎn)是有別于其他增材制造方法的核心之一。

關(guān)鍵點(diǎn)6環(huán)境要求低。粘結(jié)劑噴射技術(shù)在打印環(huán)節(jié)沒(méi)有溫度變化和化學(xué)變化，金屬粉末不會(huì)因?yàn)楦邷囟趸云胀ù蛴…h(huán)境就可以持續(xù)打印，這大大降低了設(shè)備的設(shè)計(jì)要求。綜合以上6點(diǎn)，這項(xiàng)技術(shù)才具有了：高效率，低成本，適合批量化生產(chǎn)的特點(diǎn)。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(wèn)題，這項(xiàng)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(dāng)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(duì)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(jí)3D打印系統(tǒng)制造商之一，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的無(wú)?；a(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(yàn)與市場(chǎng)運(yùn)用。在德國(guó)、美國(guó)、英國(guó)、印度和中國(guó)均有自己的分支機(jī)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(shí)驗(yàn)室級(jí)別到4米級(jí)目前世界最大的噴射成型技術(shù)3D打印機(jī)，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(guò)25000個(gè)可單獨(dú)控制的噴嘴和1100毫米的打印寬度，打印機(jī)的打印速度可達(dá)每小時(shí)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(jì)地構(gòu)建幾乎任何尺寸的零件：例如大型機(jī)械結(jié)構(gòu)框架，以及車(chē)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(tuán)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(jī)器使用金屬粉末，能進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)。

打印速度高達(dá)100立方厘米/小時(shí)，打印層厚為42微米。它有一個(gè)較大的構(gòu)建體積，為2500立方厘米，單次可以打印多達(dá)50000個(gè)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(jī)可以生產(chǎn)出“具有醫(yī)療級(jí)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?yàn)榇蛴『筮€會(huì)進(jìn)行燒結(jié)。使用粘結(jié)劑為環(huán)氧樹(shù)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(guò)程一直持續(xù)到零件完成。整個(gè)打印過(guò)程以受控的方式進(jìn)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(yàn)證其他材料，將來(lái)會(huì)有更多的材料被納入進(jìn)來(lái)，包括銀和金，因?yàn)檎辰觿┓浅＿m合珠寶制造。目前的訂單中最大的有每年大約30000個(gè)零件，較小批次有3000至3500個(gè)零件的制作需求。其中包括瑞士制表廠(chǎng)Montfort Watches，通過(guò)粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)制作不銹鋼表盤(pán)。
（責(zé)任編輯：fqj）