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2022粘结剂喷射3D打印厂商巡礼

2022/8/22    来源:e-works    作者:e-works      
关键字:3D打印  粘结剂喷射3D打印  金属3D打印  
作为一种很有前途的3D打印技术,粘结剂喷射技术可以选择性地将粘结剂喷射到粉末上,使颗粒之间形成粘结,实现产品的个性化、快速原型制作,甚至大批量制造终端零件。尤其在金属3D打印领域,粘结剂喷射被认为是一种最有可能的规模化、数字化、低成本的金属3D打印技术。
       2022年7月13日,金属/碳纤维3D打印厂商Markforged(纽约证券交易所代码:MKFG)宣布,已与Höganäs AB达成最终协议,收购领先的粘结剂喷射3D打印机制造厂商Digital Metal。由于Markforged所推出的金属桌面挤出3D打印工艺与粘结剂喷射技术有着相似的工艺原理,此次收购事件也必将带来粘结剂喷射3D打印市场的全新变局。借此契机,笔者梳理了粘结剂喷射技术的工作原理、技术特点、发展历程、国内外主流的厂商,供读者参考。

得天独厚,粘结剂喷射有望用于批量化生产

       粘结剂喷射3D打印(Binder Jetting Additive Manufacturing,简称BJAM)技术是利用打印头沉积液态粘合剂来选择性地将粉末床上的粉末材料粘结在一起,从而构建零件的3D打印技术。根据粉末材料的不同,该技术又可细分为粘结剂喷射金属3D打印和粘结剂喷射非金属3D打印两个大类,这两类都是基于粉末床工艺,工作原理相同,都是通过喷墨打印头逐层喷射粘结剂选区沉积在粉末床上,粘结打印三维实体零件生坯。

粘结剂喷射3D打印工作过程(来源:ExOne)

粘结剂喷射3D打印工作过程(来源:ExOne)

       粘结剂喷射3D打印工作过程可以描述为:首先,铺粉机构在加工平台上精确地铺上一层粉末材料,然后喷头在计算机的控制下,根据这一层的截面形状在粉末上喷出一层粘结剂,粉末材料和粘结剂会发生固化;然后,成型缸下降一个层厚的距离,供粉缸上升一个高度,加工平台上会再铺上一层粉末材料,喷头会按照下一截面的形状喷出粘结剂并发生固化;如此反复,直到把一个零件的所有层打印完毕,得到一个三维实物原型。

       与其他3D打印技术相比,粘结剂喷射3D打印技术的主要特点有:

       ●速度快。由于粘结剂喷射是依靠阵列式喷头,不会像激光或者其他喷嘴是一个“点”,而是呈现为由“线”到“面”的喷射,速度自然快很多,是激光或者其他喷嘴方式的几十倍甚至上百倍。

       ●设备成本低。目前,很多3D打印技术在使用上都是有特定的环境要求,例如气体保护、加热、密封环境等,粘结剂喷射无需特殊环境。同时,粘结剂喷射3D打印设备不需要激光器、扫描系统等昂贵器件,成本优势突出。

       ●无需额外支撑。由于采用粉末自支撑的方式,降低了打印后处理的难度,并且在设计空腔、封闭网格等金属零件结构时,由于无需支撑,设计难度进一步降低。

       ●材料多样性。粘结剂喷射3D打印可以兼容各种沙子、金属、陶瓷等材料,材料种类丰富。但需要注意的是,在使用金属和陶瓷粉末时需要经过排胶和烧结步骤,以获得性能良好的零件。

       鉴于粘结剂喷射3D打印技术具有速度快、设备成本低、无需额外支撑、材料多样性等特点,业内人士颇为看好将其应用于批量化生产。但受限于后处理步骤,粘结剂喷射3D打印技术尚未展开大规模批量化应用,例如,在使用金属和陶瓷粉末时,需要经过排胶和烧结步骤,这不仅增加了时间成本,也会影响最终获得的零件性能。

前生今世,粘结剂喷射开启3D打印市场新天地

       粘结剂喷射技术的起源可以追溯到20世纪90年代,当时麻省理工学院(MIT)开发了一种基于喷墨的工艺,利用金属粉末创建三维物体。粘结剂喷射技术走向商业化的时间始于1996年,标志事件是位于美国宾夕法尼亚州的Extrude Hone公司获得了麻省理工学院的专利技术的独家授权,随后在1997年推出了世界上第一台使用金属粘合剂喷射技术的3D打印机ProMetal RTS 300,并成功交付于摩托罗拉。

       在2005年,ExOne公司从Extrude Hone旗下真正独立出来,成为一家专注于提供金属粘结剂喷射服务和系统的公司。一直到2010年代初,ExOne在金属粘结剂喷射领域都是一家独大。随着麻省理工学院的这项专利到期,其他公司被允许进入这一领域。在2013年,美国材料与试验协会ASTM正式命名了粘结剂喷射技术。

粘结剂喷射技术的发展历程(来源:包装工程)

粘结剂喷射技术的发展历程(来源:包装工程)

       2015年,Z Corporation公司推出了全彩色粘结剂喷射3D打印机。在2018年,金属粘结剂喷射3D打印技术被《MIT科技评论》评为全球十大突破性技术之一。随着粘结剂喷射技术的快速发展与突破,国际市场上涌现出了以Desktop Metal、ExOne、Digital Metal为代表的大型粘结剂喷射3D打印厂商。同时,惠普、通用电气、富士康等巨头也看到了粘结剂喷射技术的市场潜力,纷纷投入巨资布局该领域。

       2021年,粘结剂喷射3D打印市场引来了全新格局:在2021年8月,老牌粘结剂喷射3D打印厂商ExOne被主要的竞争对手Desktop Metal 收购,这两家行业领导者的结合,加速推动粘结剂喷射技术走向更广泛的应用;在2021年8月11月,已拥有超过30年喷墨技术经验的日本理光公司突然发布了一款采用自有工业喷墨打印技术的新型粘结剂喷射金属3D打印机,让粘结剂喷射3D打印市场的竞争更为激烈。

       受限于工艺门槛的高度和产业链的长度,国内粘结剂喷射3D打印技术明显滞后于国外。华中科技大学于2012年开始研发粘结剂喷射3D打印技术,并在2017年由合作企业武汉易制公司推出金属粘结剂喷射3D打印机。目前,国内也有一些企业推出了粘结剂喷射3D打印设备,或者将粘结剂喷射3D打印技术列为在研项目。例如,北京隆源自动成型系统有限公司在2018~2020年完成了金属粘结剂喷射技术的开发,并成功推出了AFS-J120、AFS-J380设备。

方兴未艾,粘结剂喷射3D打印厂商蓬勃发展

       目前,基于粘结剂喷射3D打印技术的开发与应用正逐渐形成一种强劲的趋势,国内外的粘结剂喷射3D打印技术厂商充分理解该技术的市场潜力,积极探索并推出了应用于多个行业的粘结剂喷射3D打印设备,以实现原型设计、小批量开发、备件生产,甚至是工业规模的批量化生产。

生产级粘结剂喷射金属3D打印系统:P-50

生产级粘结剂喷射金属3D打印系统:P-50
(来源:Desktop Metal)

       在国外,知名的粘结剂喷射3D打印厂商的有:Desktop Metal、ExOne(已被Desktop Metal收购)、voxeljet、Digital Metal(已被Markforged收购)、3D Systems。Desktop Metal是领先的粘结剂喷射金属3D打印厂商,采用单程喷射技术,相比此前同类系统具有更高的制造效率,Production System、X系列都是其旗下经典的粘结剂喷射3D打印设备;Exone曾是结剂喷射3D打印技术的领导者,推出了多款商业化的粘结剂喷射3D打印设备,涵盖砂型和金属,不过在被Desktop Metal收购后,Exone的部分产品(如Innovent+、X125Pro以及X1160Pro)已经被集成到Desktop Metal的产品系列中;Voxeljet当前共有7款粘结剂喷射3D打印设备,分别是VX200、VX200 HSS、VX1000、VX1000 HSS、VX1300 X、VX2000、VX4000,产品组合涵盖从原型设计的紧凑型系统到快速成型的大规模生产的应用范围;Digital Metal推出的粘结剂喷射3D打印设备DM P2500,运动精度高达0.001毫米,分辨率为35微米,烧结后的平均表面粗糙度可达Ra6.0微米,能满足大多数最终用途的金属部件需求,另外在今年还推出了新一代生产级粘结剂喷射打印设备DMP/PRO系列,目标在于实现大批量制造。
国外粘结剂喷射3D打印厂商(排名不分先后)

国外粘结剂喷射3D打印厂商(排名不分先后)


       HP、GE Additive等全球性科技企业也看好粘结剂喷射3D打印技术的市场前景,纷纷向市场推出了粘结剂喷射3D打印设备。例如,HP推出了基于粘结剂喷射技术的金属3D打印机Metal Jet,已成功应用多家制造企业,将工作效率提升高达数十倍,并显著降低成本;GE Additive推出了粘结剂喷射金属3D打印系统Binder Jet Line,旨在提高3D打印技术的规模化制造能力,目前已经可以打印航空、能源、汽车和其他工业领域使用的多种合金。

粘结剂喷射金属3D打印机AFS-J380L

粘结剂喷射金属3D打印机AFS-J380L
(来源:隆源成型)

       在国内,尽管粘结剂喷射技术起步较晚,但我国也涌现出了隆源成型、共享智能装备、峰华卓立、爱司凯、易制科技、阿尔法、中立鼎、雷佳等代表性厂商。其中,隆源成型的粘结剂喷射金属3D打印机AFS-J380L、AFS-J380、AFS-J120,集成了小粒径低流动性粉末精准供料系统、新型铺粉辊压系统和高精度喷墨打印系统,可用于航空航天、汽车、军工、模具、医疗等领域小批量精密金属件制造。共享智能装备拥有AJS 800/1000A、300A、AJD 2200A/2500A、AJS 1800E、AJS 2500A/2600A、AJL 1200、AJS 1800A等粘结剂喷射3D打印机,产品被广泛应用于高端装备行业的高精度产品研发及制造,科研院所的试验研究、培训、展示,批量生产等。峰华卓立的粘结剂喷射3D打印设备规格有多种,包括PCM2200、PCM1800、PCM1200等,其中PCM2200的最大成型尺寸可达2200X1000X800mm,可满足军工、航天航空、船舶等行业大型复杂铸件快速成型的需求。爱司凯推出了风暴T2500、风暴S200系列、风暴S801多款粘结剂喷射3D打印机,具有打印效率高、产量大的技术优势,可根据用户需求定制不同喷头堆叠数量、分辨率及墨滴大小。
国内粘结剂喷射3D打印厂商(排名不分先后)

国内粘结剂喷射3D打印厂商


       易制科技的粘结剂喷射金属3D打印机Easy3DP-M500主要用于大批量或大规模生产金属零件,目前已经成功应用于鞋底模具、水龙头等多个行业。阿尔法的AMP系列金属3D打印设备可用于制造轻量化零部件、功能集成化部件,适合用于复杂小型零件的批量生产。中立鼎是一家2021年才成立的新公司,但已研发出了全新的粘结剂喷射砂型3D打印设备L251510、L201080、L21060,适用于新产品研发领域、复杂产品制造、小批量生产。雷佳自主研发的多喷头粘接剂喷射3D打印设备LASERADD-3DP-BJ1,采用OnePass型粘接喷射模式,支持1-8喷头扩展,适用于核电军工、医疗、工业、模具等行业的研发与生产。

       总之,作为一种很有前途的3D打印技术,粘结剂喷射技术可以选择性地将粘结剂喷射到粉末上,使颗粒之间形成粘结,实现产品的个性化、快速原型制作,甚至大批量制造终端零件。尤其在金属3D打印领域,粘结剂喷射被认为是一种最有可能的规模化、数字化、低成本的金属3D打印技术。

       笔者相信,随着技术的进步,随着一些成功商业案例的公布,粘结剂喷射技术获得更大规模的工业应用指日可待。例如,2021年12月,Desktop Metal从一家德国汽车制造商获得了价值790万美元的粘结剂喷射3D打印订单,用于大规模生产汽车动力总成部件;2022年,肯纳金属与GE Additive达成合作,基于肯纳金属的硬质碳化钨材料,并采用粘结剂喷射技术进行特定应用批量生产。笔者也期待更多的国内制造企业开展对粘结剂喷射技术的应用,创造和生产出更好的产品,推进粘结剂喷射技术迭代和产业良性发展。

       【参考文献】
       1、魏青松:金属粘结剂喷射增材制造技术发展与展望
       https://mp.weixin.qq.com/s/0TeldXNiKFBFmt8CzmqLUw
       2、为什么选择粘合剂喷射3D打印技术?听听专家给出的建议
       https://www.163.com/dy/article/HAK54C2J051186GP.html
       3、粘结剂喷射技术被看好 3D打印2.0正当时
       http://www.rmzxb.com.cn/c/2022-06-02/3130475.shtml
责任编辑:程玥
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