粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)潛力巨大，入行請看這些產(chǎn)業(yè)鏈供應商

“目前已經(jīng)有不少傳統(tǒng)的制造業(yè)大廠，找到我們想合作，開始涉足粘結(jié)劑噴射3D打印了。但是他們往往找不到好的上游零部件、材料供應商，做起來沒啥頭緒�！�


2023年8月，南極熊拜訪了國內(nèi)粘結(jié)劑噴射3D打印主控板廠商——上海融躍科技，主營業(yè)務(wù)是工業(yè)噴墨打印控制系統(tǒng)，2016年起開始利用自己的技術(shù)積累，專門針對粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)開發(fā)了專用的主控板及其配套的打印控制解決方案，其負責人鄭興建透露了目前行業(yè)的情況，“產(chǎn)業(yè)鏈太不完善了，做起來很難�！�


作為一種很有前途的3D打印技術(shù)，粘結(jié)劑噴射技術(shù)可以選擇性地將粘結(jié)劑噴射到粉末上，使顆粒之間形成粘結(jié)，實現(xiàn)產(chǎn)品的個性化、快速原型制作，甚至大批量制造終端零件。但是相比于國外，國內(nèi)對于粘結(jié)劑噴射技術(shù)的研究開展較晚，不少人想入行，但是往往會找不到合適的上游零配件產(chǎn)業(yè)鏈供應商，或者不知道那些比較靠譜。為了讓更多企業(yè)和創(chuàng)業(yè)者可以從事這方面產(chǎn)品的開發(fā)和應用，南極熊匯總了國內(nèi)外粘結(jié)劑3D打印的產(chǎn)業(yè)鏈供應商資源，希望能夠推動粘結(jié)劑噴射技術(shù)的發(fā)展！



粘結(jié)劑噴射增材制造（Binder Jetting Additive Manufacturing，簡稱BJAM）技術(shù)是一種常見的金屬3D打印技術(shù)。該技術(shù)基于粉末床工藝，通過噴墨打印頭逐層噴射粘結(jié)劑選區(qū)沉積在粉末床上，粘結(jié)打印三維實體零件初坯，隨后將打印的初坯置于均勻的熱環(huán)境中進行脫脂和燒結(jié)，使其致密化并獲得機械性能良好的零件。

一、粘結(jié)劑體系
BJAM技術(shù)具有高效率、低成本、材料體系廣泛、表面質(zhì)量良好、常溫打印和無需支撐結(jié)構(gòu)等獨特優(yōu)點。影響B(tài)JAM打印金屬零件質(zhì)量的因素可分為材料和工藝。材料因素包括粉末和粘結(jié)劑特性，粉末特性決定粉末床質(zhì)量、初坯密度和致密化效果，初坯的幾何形狀和強度受到粘結(jié)劑的影響。

選擇合理的粘結(jié)劑是BJAM技術(shù)的關(guān)鍵之一。首先，粘結(jié)劑必須是可與噴墨打印頭匹配的，只有粘結(jié)劑具有合適的粘度，表面張力等特性，才能保證噴頭中形成的單個液滴順暢的通過成千上萬個直徑微米級的小孔，并且穩(wěn)定、高速的實現(xiàn)圖像打印。同時，粘結(jié)劑又需要有足夠的粘結(jié)強度才能保證打印的初坯結(jié)構(gòu)完整。此外，還需要有良好的粘結(jié)劑—粉末相互作用、清潔燃燒特性及較長的保質(zhì)期和無環(huán)境污染風險。



△粘結(jié)劑噴射中粘結(jié)劑—粉末相互作用

用于 BJAM 技術(shù)的粘結(jié)劑可分為有機和無機粘結(jié)劑2種類型。

無機粘結(jié)劑的粘接強度相對較高，但是高溫燒結(jié)時的殘余很難去除，因此在選擇無機粘接劑時需要考慮把殘余部分作為添加劑存在于金屬材料里面，改善或提高金屬材料的性能。
有機粘接劑的主要元素為碳、氫、氧，燒結(jié)后的殘余相對較小。根據(jù)粘接劑溶解的材料匹配噴頭的不同。

粘接劑可以分為溶劑型粘接劑和水性粘接劑水性粘接劑采用水來溶解稀釋粘接劑，比較環(huán)保，通常使用水性噴頭，意思是噴頭可以接受水作為墨水的主要物質(zhì)，如果該噴頭采用了溶劑型墨水，可能會損壞噴頭。溶劑型粘接劑是使用有機溶劑來溶解稀釋粘接劑，有機溶劑的排放有嚴格規(guī)定，需要采用溶劑型噴頭來噴射粘接劑，如果采用水性噴頭來噴射溶劑型粘接劑，通常也會損壞噴頭。
粘接劑的粘接原理可以是化學反應固化粘接、析出粘接和重結(jié)晶粘接�；瘜W反應固化很好理解，噴頭在噴射粘接劑到粉末上之后，粘接劑在某種情況下（如加熱）發(fā)生化學反應，生成高強度高分子材料來粘接成形。析出粘接是指粘接劑的溶劑揮發(fā)之后析出固體物質(zhì)來粘接粉末材料。而重結(jié)晶粘接通常是向金屬鹽粉末中沉積飽和金屬鹽溶液，利用重結(jié)晶過程形成新的相互連接的金屬鹽晶體，該粘接方法在很少被商業(yè)化的使用。

從事金屬BJ打印技術(shù)的廠商都開發(fā)有自己專用的粘接劑，也基本只針對自己的客戶銷售，造成目前市場上可采購的商業(yè)化的粘接劑很少，長沙墨科瑞可能是目前中國少有的專門從金屬BJ打印技術(shù)粘接劑開發(fā)的公司。由于粘接劑開發(fā)需要長時間大量的實驗，而且粘接劑需要專門匹配噴頭和金屬粉末，控制墨滴大小、噴射速度、滲透精度、粘接強度，同時不同的墨水混用很容易造成噴頭堵塞，就是說一種噴頭和粉末需要專用的粘接劑，也就造成專業(yè)的粘接劑生產(chǎn)企業(yè)很難生存和發(fā)展。即使是在成熟的傳統(tǒng)數(shù)碼噴繪行業(yè)，在沒有考慮墨水與粉末結(jié)合影響因素的情況下，不同的噴頭都有專用的墨水。因此，粘接劑生產(chǎn)企業(yè)需要大量的投入去匹配市場上BJ設(shè)備的不同噴頭和粉末，專業(yè)金屬BJ打印粘接劑生產(chǎn)之路任重且道遠。


粘結(jié)劑廠商包括

長沙墨科瑞：

• 2021年5月推出環(huán)保水性粘結(jié)劑；
• 2022年3月，他們研發(fā)成功第二代零殘留水性粘結(jié)劑，適合金屬、陶瓷粉末的BJAM工藝。低殘?zhí)妓�性墨水是未來BJAM發(fā)展的一個主要方向，因為新的水性環(huán)保墨水具有極低的殘?zhí)剂�，適合于對碳元素敏感的金屬材料的批量化生產(chǎn)；
• 高強度自清潔墨水
  

三帝科技：


（粘接劑沒有所謂的高精度之說，只存在匹配不好造成的精度問題，以上規(guī)格需酌情考慮）

三帝科技通過自主科研團隊和自研高性能設(shè)備，在材料體系配方開發(fā)、成型工藝優(yōu)化、產(chǎn)品性能提升等方面進行了深入研究，目前已成功研發(fā)推出5大系列包括鐵基合金、輕金屬合金、陶瓷等20余種基體材料的水基粘結(jié)劑及有機溶劑粘結(jié)劑，并具備粘結(jié)劑配方的自主設(shè)計能力，能夠滿足用戶新材料、新應用對定制粘結(jié)劑的開發(fā)需求。

二、BJ打印頭


△打印噴頭

噴頭是粘結(jié)劑噴射技術(shù)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件。按原理不同，可分為連續(xù)式按需式兩種。按需打印又分為熱噴頭、壓電噴頭、靜電噴頭、聲波噴頭等，其中壓電式噴頭打印因其不需要加熱粘結(jié)劑，可以一次性快速成型較高尺寸和形狀精度的構(gòu)件，因此成為了BJ打印的主流技術(shù)。壓電式噴墨頭包括了彎曲式噴墨頭、剪切式噴墨頭、推壓式噴墨頭和擠壓式噴墨頭四種。壓電式噴墨頭技術(shù)仍以國外行業(yè)巨頭為主，為進一步加強技術(shù)自主能力，避免“卡脖子”技術(shù)壁壘，國內(nèi)院校企業(yè)開展了一系列的研
發(fā)，主要關(guān)注于壓電式噴墨頭，在國外壓電式噴墨頭的基礎(chǔ)上設(shè)計相應的控制系統(tǒng)。


△目前粘結(jié)劑3D打印機中常用的幾種噴頭

目前壓電噴頭的國產(chǎn)化仍然十分困難，因為打印技術(shù)涉及眾多難點，包括：多學科領(lǐng)域、精密微機械加工、眾多生產(chǎn)級測試設(shè)備需自主研發(fā)以及國外噴頭技術(shù)的壟斷。國內(nèi)可自主研發(fā)生產(chǎn)壓電式噴頭的公司主要有廣州愛司凱、北京奧潤聯(lián)創(chuàng)兩家公司，大部分BJ打印樣機生產(chǎn)廠商會采用進口 + 國產(chǎn)的方式配備產(chǎn)品。目前主流的BJ技術(shù)應用噴頭是： FUJIFILM Dimatix（北極星，美國）、XAAR（賽爾，英國）、RICOH(理光，日本)、Kyocera(京瓷，日本)、Epson(愛普生，日本)、。噴頭的性能指標主要包括：墨滴大小、噴孔數(shù)量、噴頭物理精度、打印精度、打印速度、點火頻率、噴嘴寬度，粘度范圍、表張范圍、適應墨水類型、耐溫范圍、使用壽命等。


三、控制系統(tǒng)

在衡量BJ打印機的工作性能中，打印質(zhì)量、打印速度和打印穩(wěn)定性是重要指標。BJ打印控制系統(tǒng)作為噴墨打印機的核心模塊，直接影響著BJ打印機的打印質(zhì)量和打印速度。當BJ打印機確定了所使用的BJ打印頭后，則需要開發(fā)適配該BJ打印頭的BJ打印控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對該BJ打印頭的驅(qū)動。

在噴墨打印行業(yè)，通常噴頭廠家是沒有提供噴頭打印控制系統(tǒng)的，就是說他們只銷售噴頭；噴頭廠家把噴頭的驅(qū)動技術(shù)開放給專業(yè)的做噴頭控制系統(tǒng)的公司，國內(nèi)已經(jīng)有了上十家做噴頭控制系統(tǒng)的企業(yè)，例如深圳漢森、上海融躍、北京博源恒芯、武漢璟豐，這些企業(yè)專門配套噴頭研發(fā)驅(qū)動板卡，銷售板卡系統(tǒng)，噴頭廠家銷售噴頭，配合在各打印領(lǐng)域推廣。但他們主要專注于數(shù)碼噴繪行業(yè)。上海融躍是少有的花大精力投入在BJ領(lǐng)域的控制系統(tǒng)供應商。

在國內(nèi)噴頭控制系統(tǒng)供應商進入BJ領(lǐng)域之前，確實是國外的BJ控制系統(tǒng)廠家占有絕大部分市場，但是經(jīng)過近十年國產(chǎn)化進程，目前國內(nèi)的BJ打印廠商95%以上已經(jīng)用上了國產(chǎn)化系統(tǒng)。


四、打印數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)
通常3D打印的數(shù)據(jù)處理包括切片和路徑規(guī)劃，“路徑規(guī)劃”這點在BJ技術(shù)里面叫“RIP”。粘結(jié)劑噴射3D打�。˙JAM）最終打印的是點陣數(shù)據(jù)，而要打印的3D模型是基于坐標的矢量數(shù)據(jù)，三維CAD模型進行切片后，必需將切片數(shù)據(jù)進行位圖繪圖得到點陣數(shù)據(jù)，才能發(fā)給打印機進行打印。因此對矢量數(shù)據(jù)進行位圖繪圖的質(zhì)量，直接關(guān)系到最終打印成品的精度。RIP（光柵圖像處理器，Raster Image Processor）軟件的核心工作就在于此。通俗地講，它的作用就是把計算機制作版面中的各類圖像、圖形和文字等解釋運算、轉(zhuǎn)變成可供打印設(shè)備接收并控制機器打印輸出的光柵點陣數(shù)據(jù)。

由于RIP軟件算法非常復雜，傳統(tǒng)的噴頭控制系統(tǒng)供應商通常都不做RIP算法，數(shù)碼噴繪行業(yè)的RIP軟件供應商也很少，主要有武漢蒙泰、深圳漢森等。因此在國內(nèi)剛發(fā)展BJ技術(shù)做砂型打印時，通常由控制系統(tǒng)供應商提供一個簡單的RIP算法，由于砂型打印的精度要求不高，這個簡單的RIP算法是足夠的。但是如果在金屬BJ技術(shù)里面仍然采用那種簡單的RIP算法，就會造成數(shù)據(jù)處理耗時長或打印精度不高的問題出現(xiàn)。因此要發(fā)展高速度高精度BJAM技術(shù)，要么傳統(tǒng)的噴繪行業(yè)RIP供應商或控制系統(tǒng)供應商根據(jù)BJ打印技術(shù)的特點來開發(fā)專門的BJ技術(shù)RIP算法，要么BJ設(shè)備生產(chǎn)商自己開發(fā)專業(yè)的BJ技術(shù)RIP軟件。據(jù)悉國內(nèi)具備RIP算法軟件的生產(chǎn)企業(yè)僅有武漢易制科技有限公司。

五、粘結(jié)劑3D打印設(shè)備
目前，基于粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)的開發(fā)與應用正逐漸形成一種強勁的趨勢，國內(nèi)外的粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)廠商充分理解該技術(shù)的市場潛力，積極探索并推出了應用于多個行業(yè)的粘結(jié)劑噴射3D打印設(shè)備，以實現(xiàn)原型設(shè)計、小批量開發(fā)、備件生產(chǎn)，甚至是工業(yè)規(guī)模的批量化生產(chǎn)。


△惠普金屬粘結(jié)劑打印設(shè)備

在國外，知名的粘結(jié)劑噴射3D打印廠商的有：Desktop Metal、ExOne（已被Desktop Metal收購）、voxeljet、Digital Metal（已被Markforged收購）、3D Systems、HP、GE Additive等全球性科技企業(yè)也看好粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)的市場前景，紛紛向市場推出了粘結(jié)劑噴射3D打印設(shè)備。例如，HP推出了基于粘結(jié)劑噴射技術(shù)的金屬3D打印機Metal Jet，已成功應用多家制造企業(yè)，將工作效率提升高達數(shù)十倍，并顯著降低成本；GE Additive推出了粘結(jié)劑噴射金屬3D打印系統(tǒng)Binder Jet Line，旨在提高3D打印技術(shù)的規(guī)�；�制造能力，目前已經(jīng)可以打印航空、能源、汽車和其他工業(yè)領(lǐng)域使用的多種合金。在國內(nèi)，盡管粘結(jié)劑噴射技術(shù)起步較晚，但我國也涌現(xiàn)出了隆源成型、共享智能裝備、峰華卓立、愛司凱、易制科技、阿爾法、中立鼎、鄭州中興三維等代表性廠商。

南極熊總結(jié)
目前關(guān)于粘結(jié)劑噴射技術(shù)的研究與應用主要集中在砂型打印，其次是基于粘結(jié)劑噴射的金屬3D打印領(lǐng)域。武漢易制、寧夏共享、隆源成型、峰華卓立等國內(nèi)公司通過自主研發(fā)設(shè)備，成功實現(xiàn)了粘結(jié)劑噴射在砂型打印中的應用，并進一步，通過將該技術(shù)應用于金屬3D 打印，實現(xiàn)了基于粘結(jié)劑噴射技術(shù)的金屬 3D 打印設(shè)備的開發(fā)。部分國內(nèi)開發(fā)的粘結(jié)劑噴射技術(shù)的金屬 3D 打印設(shè)備還可實現(xiàn)對個別類型的陶瓷粉末的 3D 打印，但專門針對粘結(jié)劑噴射技術(shù)的陶瓷 3D打印設(shè)備仍處于研發(fā)階段。

全產(chǎn)業(yè)鏈