粘合剂喷射金属 3D 打印：Desktop Metal、HP 与 Markforged

在增材制造领域，目前只有少数公司生产金属粘合剂喷射3D打印机，其中包括增材制造行业的三个顶级公司：Desktop Metal、HP 和 Markforged。接下来，南极熊将分析每个产品的特点，帮助用户选择最合适的供应商。首先，南极熊将讨论什么是金属粘合剂喷射技术、该技术的用途以及该技术的主要打印机。


△Cobra 高尔夫球杆与 HP 合作，使用金属粘合剂喷射技术批量生产推杆

什么是金属粘合剂喷射？


△粘合剂喷射如此高效和快速的原因之一是可以一次批量打印数十个甚至数百个零件。打印机软件可帮助将零件嵌套到打印机的全部容量中。

粘合剂喷射是一种 3D 打印方法，使用液体粘合剂将粉末状金属材料逐层粘合，以创建坚固、复杂的形状。无论是金属、塑料、沙子还是其他粉末材料，核心的粘合剂喷射过程都是相同的。

随着打印的进行，金属粉末被沉积到构建室中，然后滚筒在打印平台上压实一层薄薄的粉末。带有喷墨喷嘴的打印头在打印平台上方移动，选择性地将粘合剂液滴沉积在打印平台上（零件横截面的形状上）。粘合剂将粉末颗粒粘合在一起。当一层完成后，构建平台向下移动，滚筒在表面上重新涂上更多的金属粉末。然后重复该过程，将新层粘合到下面的层上，直到零件完成。

尽管 HP、Markforged 和 Desktop Metal 的金属粘结剂喷射技术的核心要素是相同的，但每种技术都有一些独特的（通常是专利的）内部力学、材料和软件方法，可以在速度、零件质量、使用方便性或是流程效率上具有一定优势。


△HP Metal Jet S100 粘合剂喷射 3D 打印机可实现高精度

分辨率和高精度细节
HP、Markforged 和 Desktop Metal 均提供 30 至 50 微米范围内的层高（人类头发的宽度约为 70 微米）。它们的分辨率以每英寸点数 (DPI) 为单位。在粘合剂喷射中，DPI 用于描述粘合剂沉积的分辨率或粒度，DPI 值代表粘合剂沉积到粉末床上的精细程度。较高的 DPI 值表明打印机可以更精确地以更小的增量应用粘合剂，从而在最终的 3D 打印对象中产生更精细的细节和更高的分辨率。

DPI 是一个有点模糊的衡量标准，因为它不容易转化为零件尺寸。Markforged 声称最高 DPI 为 8,000 x 1,600，但值得注意的是，DPI 只是影响粘合剂喷射打印的整体分辨率和质量的因素之一。其他因素，例如所用粉末材料的类型、层厚度以及打印机的整体机械结构和校准，在确定零件的最终精度水平方面也发挥着重要作用。

Desktop Metal 的 X 系列以体素报告其分辨率，体素是代表打印机可以创建的最小特征尺寸的 3D 像素。X 系列的分辨率约为 30 微米体素。X 系列声称其尺寸公差小于 1%，Desktop Metal打印系统具有 ±2.0% 的尺寸公差。


△金属粘合剂喷射 3D 打印涉及将液体粘合剂喷射到金属粉末层上以凝固形状

金属粉末管理
打印后，零件被封装在未使用的粉末中，这些粉末支持构建，通常无需任何打印支撑即可实现复杂的几何形状。在此阶段可能存在固化或干燥步骤，该步骤需要在粉末床上加热零件，然后一旦冷却，就将零件从粉末中取出。

去除粉末并为下一次构建准备粉末可能需要一两个额外的设备，称为除粉站和粉末管理系统。由于粘合剂喷射是一种“冷”工艺，与激光粉末床烧结不同，更多的金属粉末（接近 99%）可以重复使用，从而降低成本。


△使用 HP Metal Jet 粘合剂喷射系统 3D 打印的燃油阀

零件基本上是由粉末制成的，由用聚合物粘合剂粘合在一起的金属颗粒组成。这些所谓的“绿色部件”（素坯）很脆弱，无法按原样使用。下一步是从金属部件中去除剩余的粘合剂，以创建 96% 至 99% 的金属部件。这些零件进入炉子进行热处理（称为烧结的过程），燃烧掉粘合剂并凝结零件。其他后处理包括用另一种材料填充金属部件的孔以产生所需的基体或复合材料。根据熔炉温度和零件烧结时间，它们的致密度可以达到 99%（与注塑成型的质量相同）或高达 60% 的多孔性。孔隙率是某些应用所期望的效果。


△展出的 Desktop Metal Shop Systems 金属粘合剂喷射部件

打印参数和材料选择
打印、固化和烧结参数均针对特定零件几何形状、材料和所需密度进行调整。您可以设置打印解决方案（打印机、固化站和熔炉），以遵循打印机制造商为获得最佳部件而开发的设置方案。

打印机制造商提供的金属粉末清单有限。尽管几乎所有金属注射成型粉末都可以喷射粘合剂，但每种材料都需要进行研发才能找到最佳参数。对于打印机制造商来说，花时间为每种粉末开发参数在经济上是不可行的，因此他们通常只提供几种粉末，并且如果您需要特殊的东西，可以自行研发或共同合作。粘合剂通常是每个制造商专有的，并且经过调整以与特定的粘合剂喷射打印头喷嘴配合使用。

金属粘合剂喷射价格
金属粘合剂喷射的价格较为昂贵，起价为六位数，而且这仅适用于打印机单元。HP、Markforged，尤其是 Desktop Metal 的封装和配置各不相同，因此很难缩小价格范围。这些系统的主要消费者是为其他公司生产金属零件的企业，例如 3D 打印服务机构或金属合同制造商，与 CNC 加工或金属注塑成型相比，这些解决方案的速度和吞吐量可以实现投资回报，所以粘结剂喷射打印机在制造中具有很大的优势。


为什么使用金属粘合剂喷射？


△Desktop Metal 金属粘合剂喷射 3D 打印机生产的复杂金属零件

与传统金属注塑成型和其他形式的金属 3D 打印相比，粘合剂喷射具有多种优势。该技术在速度和吞吐量方面尤其出色，因为打印头通常比其他技术中使用的激光或电子束工作得更快。此外，零件可以包装并堆叠在构建室内，几乎利用了每一厘米的空间。根据伊利诺伊理工学院材料、机械和航空航天工程系助理教授 Amir Mostafaei 的研究，粘合剂喷射有望主导其他制造领域，特别是金属注射成型，因为它们共享相同的材料和工艺，以及尺寸和几何细节，例如壁厚。

粘合剂喷射优点：
●广泛的材料选择：粘合剂喷射与目前可用的各种粉末材料兼容，并且由于粉末金属在许多其他传统制造工艺中被烧结至全密度，它在应用中具有超越粉末床熔融的潜力，并且具有所有增材制造工艺中材料选择范围最广。理论上，粘合剂喷射可以与任何粉末金属材料和补充粘合液体一起使用。在实践中，金属粘合剂喷射 3D 打印机与精选材料“兼容”，因为这些材料具有相应的粘合剂，并且已经过彻底的现场测试。

●冷加工：研究人员表示，粘合剂喷射打印过程在室温下进行，避免了与热残余应力相关的问题，并使成型箱中零件周围的粉末高度可回收，从而节省了材料成本。

●大打印体积：虽然就构建室尺寸而言，粘结剂打印机不是最大的金属 3D 打印机，但粘合剂喷射使能够将许多不同的零件嵌套到一次打印运行中。这种大批量生产能力使其成为想要打印大量复杂零件或原型版本的公司的理想选择。该技术受到 3D 打印服务机构的青睐，可以将多个客户的订单整合到一个构建中。

●没有支撑：对于通过粘合剂喷射生产的任何零件几何形状，对支撑结构的需求都显着减少，因为粉末床通常提供足够的支撑，这意味着更大的设计自由度（特别是对于创建内部通道）、更少的材料浪费以及更少的移除支撑的时间和劳动力。

●高速：粘合剂喷射速度快且生产率高，因此可以经济高效地生产大量零件。尽管粘合剂喷射比单激光粉末床熔融金属 3D 打印更快，但它并不比所有类型的激光粉末床熔融更快。

●多功能输出：粘合剂喷射可以根据烧结温度和时间产生具有受控孔隙率的各种密度，从而具有广泛的用途。

粘合剂喷射缺点：
●多步骤：粘合剂喷射是一个多步骤过程，需要后处理步骤，其中涉及额外的设备。

●扭曲风险：使粘合剂喷射部件变得更致密的过程（烧结）可能会导致几何形状变形。然而，通过事先适当的计算（在打印机软件的帮助下）应该可以避免这种情况。

●体力劳动：将零件从打印机移至后处理机器并对打印零件进行除粉通常是手动过程。根据零件的几何形状，可以实现一些除粉自动化。


△使用 Markforged Metal 粘合剂喷射机制造的金属零件

粘合剂喷射金属零件质量
出于上述所有原因，金属粘合剂喷射对于金属零件生产来说是一项非常有吸引力的技术，还有一个非常重要的点：轻量化。由于粘合剂喷射可以打印具有复杂图案填充的零件而不是实心零件，因此所得零件的重量大大减轻，同时强度也很高。粘合剂喷射的孔隙率特征还可用于实现医疗应用的更轻的端部部件，例如植入物。

与其他增材制造工艺一样，粘合剂喷射可以生产具有内部通道和结构的复杂部件，无需焊接，并减少了部件数量和部件重量。重新设计用于粘合剂喷射的金属部件可以显着减少材料的使用和浪费。粘合剂喷射部件表现出高表面光滑度，特别是在内部通道中。


△粘合剂喷射金属部件需要在熔炉中进行烧结步骤，以进一步提高金属部件的密度

尽管具有诸多优点，但市场上较为成熟的金属粘合剂喷射打印机仍然很少。南极熊将重点介绍来自Desktop Metal、HP 和 Markforged的打印机。

HP金属喷射 S100


△HP Metal Jet S100

几十年来，惠普喷墨技术一直引领着广泛的打印市场。惠普于 2014 年开始涉足聚合物 3D 打印，称为 Metal Jet。HP Metal Jet 是一种粘合剂喷射技术，其烧结后密度超过 97%，与 MIM 类似。Metal Jet 多年来一直可供 Cobra Golf 等特定制造商使用，最新版本 Metal Jet S100 解决方案于 2023 年才向客户提供。惠普的独特之处在于使用了喷墨热量中包含的热元件，该热元件不仅可以将粘合剂精确地输送到粉末金属床，而且还可以对其进行加热以去除一些液体粘合剂。


△大众汽车使用 HP Metal Jet 开发了提供定制零件的概念

惠普在整合工艺的所有部分方面做得很好，省略了最终的烧结炉。易用性的关键是控制每个步骤的软件和一个滚动构建单元，该单元可以简单地从打印机推送到固化单元再到断电和恢复站。惠普非常关注金属粉末处理的自动化。用户根本不需要“处理”粉末，因为未使用的粉末已收集在粉末清除站中；然后，用户只需将构建单元滚入粉末管理站，粉末在此处混合、筛分并自动加载到另一个构建单元中。最终零件可以进行机械加工和抛光，以满足尺寸和表面光洁度要求。

惠普为 S100 提供开箱即用的 17-4 PH 和 316L 不锈钢，但表示将与客户合作开发 MIM 中常用的其他金属材料或特定于客户应用的金属材料。此外，惠普还提供一整套入门、维护和专业服务，帮助客户从 HP Metal Jet 技术中获得最大价值。

Markforged PX100


△Markforged PX100

Markforged 是使用金属和聚合物挤出技术的领先 3D 打印机制造商之一，但为了扩展到金属粘合剂喷射领域，该公司于 2022 年收购了瑞典金属粘合剂喷射制造商 Digital Metal。2023 年，Markforged 将 Digital Metal DMP Pro 粘合剂喷射打印机更名为 Markforged PX100，有两种尺寸可供选择。

Digital Metal 曾是世界上最大、历史最悠久的金属粉末制造商之一 Höganäs 的一部分，成立于 2004 年，旨在探索可销售更多金属粉末的技术。PX100 最初的设计目的是证明金属粘合剂喷射可以生产高质量的零件，而不是作为可销售的设备，但它的设计有点过度。然而，根据 Markforged 的​​说法，这种工程设计带来的精度和零件质量使其与众不同。


△Markforged 的​​ PX100 专门从事消费产品和医疗器械等应用的精细金属 3D 打印

机器的底座是一块花岗岩板，需要它来稳定设备并消除打印过程中的振动，PX100 的重量几乎是其他金属粘合剂喷射打印方案的两倍。平滑的线性电机和空气轴承，可以使机器实现约为1微米的精度和。

该公司的粘合剂喷射解决方案专注于生产大批量的小型和复杂的金属零件。凭借其 250 × 217 × 186 的打印量，可以制造更大的零件，客户选择这种解决方案是因为它能够一次制造数百甚至数千个小零件，例如表盘和医疗器械。Markforged 提供完整的配件生态系统，涵盖除粉和粉末管理，您可以选择手动或自动版本。

打印机有一个下​​吸式工作台，用于为打印机准备粉末，一个手动除粉站或半自动除粉站，以及一个全自动粉末处理系统，可连接到手动或半自动除粉站并自动分配新粉末、混合其与从除粉站收集的粉末一起，并以120公斤/小时的能力进行筛分。由于该方法不需要加热、固化或干燥步骤，因此不需要长时间的冷却或加热，并且批次之间的时间可以短至 15 分钟。

Desktop Metal生产系统 P-50


△Desktop Metal生产系统 P-50 是该公司的旗舰金属 3D 打印机，也是市场上速度最快的打印机

Desktop Metal 的旗舰金属粘合剂喷射 3D 打印机 Production System P-50 是一种用于大规模生产的高速金属解决方案。生产系统于 2017 年推出，此后经历了多次升级和改进。Desktop Metal的突出特点包括“单程喷射”技术和“恒波传播技术”。

粘合剂喷射涉及沉积粉末，将其铺展成薄层，然后沉积粘合剂等多个步骤。单程喷射将这三个过程组合成一个统一的步骤，通过集成托架的一次通过，即可完成完整的一层打印。通过同时执行这些步骤，每层只需 3 秒即可完成。Production Systems 的打印速度是三个品牌中最高的。同时，波扩散技术可确保每层粉末密度一致。


△Production System 金属粘合剂喷射 3D 打印机具有一个带有两个粉末分配器的集成托架

生产系统具有气体管理系统，可在构建室内维持惰性环境，这对于生产钛和铝等活性金属零件是必需的。打印后，仍包裹在粉末中的部件被放入烤箱中以“激活粘合剂”，从而产生更坚固的绿色部件。然后将完成的成型箱移至除粉站，除去松散的粉末，并准备好部件进行烧结。


△左边是在烧结过程中经历不均匀收缩和翘曲的零件，右边是使用 Desktop Metal 的模拟软件进行调整后的同一零件，该软件可以在打印前预测并纠正零件设计中的变形

在软件方面，Desktop Metal 提供了方便的“Live Sinter”模拟功能，可以预测并纠正使用粘合剂喷射技术 3D 打印的金属零件的收缩和变形。只需 20 分钟即可提供可烧结的可打印几何形状，并提供高度准确的最终零件结果。

经过基于扫描的调整后，Live Sinter 能够校正复杂的变形效应，生成的零件始终落在目标尺寸的 1% 以内，偏差低至 +/- 0.3%，避免变形、翘曲和其他常见的烧结挑战，以及与支撑或安装人员相关的成本和时间。该生产系统使用 16 种不同的金属生产零件，包括不锈钢、铜、金、银和活性金属，但 Desktop Metal 还将与客户合作实施其他材料选择。

Desktop Metal  P-1
Desktop Metal 设 P-1 旨在弥合粘合剂喷射研发与大规模生产之间的差距。P-1（于 2020 年推出）提供与其老版本 P-50 相同的零件质量。它更小、速度更慢，但生产的零件具有与 P-50 相同的分辨率和质量，能够更经济高效地开发材料、粘合剂和设计流程。Desktop Metal生产系统 P-1 和 P-50 均提供受控气氛，包括惰性环境，严格管理可能干扰粉末动力学的湿度等属性，并允许安全打印反应材料，例如铝和钛。


△打印机、干燥箱、粉末站、烧结炉

Desktop Metal 的车间系统（有四个构建卷）旨在将金属 3D 打印引入机械车间，该解决方案于 2019 年推出，可生产具有良好表面光洁度和分辨率的金属零件，并且不需要专门的工程师。这个四单元完整系统包括打印机、干燥箱、粉末站和熔炉。打印后，将包含打印部件的整个成型盒放入烘箱中进行热固化过程，从而在脱粉之前为生坯状态的打印部件提供额外的强度。根据材料的不同，烧结前可能需要进行溶剂脱脂工艺。经过烤箱后，包裹在粉末中的零件被送往除粉站，该站筛选并回收未使用的粉末以供重复使用。然后零件进入熔炉进行高温烧结。商店系统打印机与生产系统一样采用单通道打印，但不是双向打印，因此打印速度稍慢。

与生产系统相比的另一个区别是支持。Desktop Metal表示，生产系统不需要支撑，节省了材料和劳动力，但车间系统可以通过陶瓷脱模层接口技术使用可分离支撑进行打印，并且可以在烧结后用手将其分离。

Desktop Metal X25 Pro


△Desktop Metal X25 Pro

Desktop Metal 在 2021 年收购其最接近的竞争对手 ExOne 时继承了该公司的金属粘合剂喷射技术和专利材料。此后，这些机器也进行了一些升级，包括：InnoventX、X25Pro 和 X160Pro。大约二十年前，ExOne 是金属粘合剂喷射商业化的先驱之一。X 系列在很多方面与 Desktop Metal 的车间和生产系统不同。X 系列机器除了可以加工砂子、“复合粉末”和金属粉末外，还可以加工氧化铝和氮化铝等陶瓷粉末。

X系列采用了该公司所称的Triple ACT（先进压实技术），这是一种正在申请专利的在打印过程中分配、散布和压实金属粉末的方法。该公司表示，X 系列系统可以实现小于 1% 的尺寸公差。相比之下，生产系统的尺寸公差为 ±2.0%。

X 系列和商店系统之间的另一个区别是打印头。商店系统使用较便宜的热敏打印头，而 X 系列和生产系统打印机则使用压电打印头。Desktop Metal表示压电打印头可能具有更高的分辨率、更好的耐用性以及更多的性能和材料选择。X 系列打印机也不具有像生产系统那样的惰性环境。Desktop Metal 的各种机器设计方法解决了不同的挑战并提供了不同的优势。

Desktop Metal X160 Pro


△Desktop Metal 的 X160 Pro 金属粘合剂喷射系统是该公司最大的

Desktop Metal 的 X160 Pro 是 X25 Pro 的更大版本，具有几乎所有相同的功能，它的速度也几乎是原来的两倍。X60 Pro 专为高吞吐量和大型零件生产而设计，提供 160 升的总构建体积，足以生产汽车、航空航天和国防工业中使用的零件。X160 Pro 有 4 个压电打印头（4,096 个喷嘴）。Desktop Metal 表示，X160 配备了完整的辅助设备工作单元，例如粉末调节和除粉系统。