南极熊导读：在一次3D打印朋友圈的活动中，有个小道消息称，某3C巨头已经使用粘结剂喷射金属3D打印机制造了10万个不锈钢手表壳。规模量产有望爆发。
2024年1月1日元旦，武汉易制科技联合创始人蔡道生，曾经表示粘结剂喷射金属3D打印值得做一辈子，应南极熊策划“3D打印企业CEO的2024年展望”专题内容的邀请，写了一篇近万字（8000字）的深度展望。太给力了！
△左：蔡道生
粘结剂喷射金属3D打印技术的产业化，已经到了临门一脚
粘结剂喷射金属3D打印技术（MBJ）发展到现在已经被很多人所知道，但由于MBJ整体上供应链特别是金属粉末的供应还不够成熟，造成很多用户对该技术还不够信任。2023年可以称得上是3D打印真正批量应用的元年，主要标志是3C行业的巨头（苹果、华为等）开始使用3D打印大量制造产品，而被誉为为批量生产而生的技术，MBJ必须要证明自己在批量生产中独特的优势，让生产级用户对MBJ产生充分的信任，否则机会一旦错过，打翻身仗的付出将会更大。因此，2024年是MBJ技术在用户中建立信任感的关键年。另外，在2024年进行产业链整合也很有必要，从材料供应商到设备制造商，再到最终用户，产业链的各个环节可能会更加协同工作。合作伙伴关系的加强和整合有望带来更高效的生产流程和更具竞争力的产品。
目前的现状是，全球真正从事MBJ技术研究的团队还是很少，相比于从事SLM技术开发的庞大群体，无论从人数上还是资金投入上，都是相差甚远，更不用说MBJ在技术开发难度上远超SLM。所有从事MBJ的团队都需要认识到，一旦错过2024这个批量应用关键节点，就会造成社会上大量投入的SLM设备，这些大量投入的SLM设备都会是生产级用户之后重新选择MBJ技术重点考虑的成本因素。
虽然目前那些生产级核心客户在批量生产上还是倾向于MBJ技术，因此从事MBJ的核心龙头企业需要带头做好服务，关心用户的真实体验，用最快速的方法匹配大用户的需求测试。对于MBJ行业不太乐观的是，过去的MBJ明星企业因经营上的问题使公司陷入极度被动的状态，我们隐隐担心的是，如果由某个单一的龙头企业去匹配和服务核心用户，可能会造成核心用户对MBJ行业整体失望的情况出现。因此所有从事MBJ的团队需要加大合作，加快研发测试，不能有蹭MBJ热度的想法。我们真诚的希望HP惠普能够快速推动国内的应用，Desktop Metal、Markforged能够发展顺利，GE、Ricon能够尽快把产品推向市场，共同把MBJ市场推向繁荣昌盛景象。
基于以上现状，易制科技作为MBJ技术的先行者，无论行业其他友商如何思考和发展，我们会根据自己的理解，以发展MBJ技术为己任，2024年会持续加大人力和资金投入，坚持创新研发的同时，在粉末冶金、3C行业、液压阀门、航空航天等重点行业加大应用推广。
3D打印机重大升级创新
MBJ技术虽然擅长于批量生产，但是新技术从出现到被批量应用需要一个被用户接受的过程，所以在2023之前我们设计产品的思路都是兼顾研发与生产，同时也为真正意义上的批量生产测试各种满足一致性和稳定性要求的关键技术，比如均匀上送粉铺粉机构、高速数据处理算法、常温打印墨水、喷头清洗擦拭机构等，这些所有的影响生产一致性和稳定性的关键技术都是首次独立自主研发，需要经过大量长时间的测试才能知道结果。
我们还发现一个现象，从2019年到2023年期间，即使是研发型应用单位，当看到我们高精度打印的样品之后，就对之前精度稍差的产品毫无兴趣了。因此在2023年上半年，我毅然决定，过去生产的所有MBJ设备不再对外销售和交付，重新选择了宽幅喷头和模组，只生产高精度打印MBJ设备，2023年8月底深圳formnext发布的M400Pro设备就是此思想指导下的第一款真正意义上的生产级MBJ设备，为进一步精益求精交付高质量的产品，本应该10月份交付的产品我们又推迟到了2023年底，期间又升级了打印喷头、铺粉辊擦拭装置和喷头擦拭清洗装置，直到2023年的最后一个工作日，我们才交付第一批M400Pro设备。
重新设计的高精度生产级设备还有另外一个指导思想，就是要考虑打印、预固化、高温烧结的高效对接，由于广泛使用的高温烧结需要20小时左右，因此打印和预固化等串联的工序都需要在一个工作日内完成才是最高效的串接方式，如果打印等相串联的工序时长超过一个工作日时，后面的工序可能需要停止等待，这样就会降低生产效率。
因此我们在设计工作缸尺寸时，需要在一个工作日完成打印，M400Pro的满缸打印时间就在24小时以内。为了进一步丰富产品，满足大尺寸高效打印需求，我们设计了工作缸体积是M400pro两倍左右的Max级设备，这款产品的满缸打印时间也是在24小时以内。
我们自己在打印生产过程中，经常需要有一种小型机器来测试新材料和新产品，希望材料更换高效、方便，我们还设计了面向研发和测试的小型机器。因此，2024年上半年会推出这两款金属打印设备，就是面向研发和材料测试的小尺寸设备以及面向大尺寸批量生产的设备。小尺寸设备将会在三月份的上海粉末冶金展上展示，这款设备面向研发和材料测试，虽然价格较低，但是精度与生产级的M400Pro相当，而且更换材料等操作方便灵活，不仅仅适合于大专院校等研究机构，还适合于从事生产的用户进行前期打样测试，可以说是从事MBJ行业的必备品。
大尺寸设备成形主要面向大批量应用场景和大尺寸零件，成型空间加大的同时，保证打印时间不增长，单层满幅打印时间也在10秒左右，相当于提高了成形效率，而且集成了最新研究成果，比如极少扬尘的上送粉铺粉机构，铺粉辊自动清洁技术，几乎无粉末流失的全自动上料机构、清粉机构，超宽幅面onepass打印技术、大幅面高精度高速数据处理技术等。
在此需要补充说明一点，对于MBJ技术使用的粉末，粒径达到几微米以下，常规的粉末输送装置会造成超细粉的流失，因此MBJ技术所使用的粉末传输和清理机构需要独特的设计才行。另外，对于金属打印应用，我们还会推出可回收粉末的吸尘器供用户选择。
借此机会，再探讨一个很多人关心的问题， MBJ技术到底可以做多大的零件？这关系到我们到底应该设计多大尺寸工作缸的MBJ设备。
从打印的角度来讲，BJ技术其实是最擅长打印大尺寸零件的，从铸造砂型打印市场可以知道，打印几米的零件都毫无压力。对于MBJ也是这样，与SLM技术不同，单纯考虑打印，一两米尺寸的工作缸，采用了随动均匀上落粉机构时，打印胚件的精度和一致性都不会产生明显下降，而SLM技术由于振镜和激光聚焦的原因，尺寸加大时会降低扫描精度。MBJ打印多大零件合适主要取决于高温烧结，大型零件在烧结时主要有几个问题。
- ①大零件重量较大，烧结炉需要考虑在一千多度高温时的承重问题。
- ②大零件的大重量会造成底部与承烧板之间极大的摩擦力，零件在收缩时很难克服这个大的摩擦力，就会造成收缩不了或变形，对于大重量的零件需要专门设计随动收缩的支撑板才能减少变形。
- ③大零件占用空间较大，在高温烧结过程中，热传导会造成很多受热不均匀情况，这些不均匀的受热会造成零件变形或者开裂。
这几个因素造成在烧结大尺寸零件时，会造成烧结炉成本急剧增加、大量浪费烧结支撑以及极大延长烧结时间的代价，除非没有选择，通常不建议打印生产500mm以上零件。
基于以上理解，我们在设计MBJ设备时，工作缸长度不建议超过600mm，高度建议不超过200mm，这样的设备在30μm层厚打印的总时长也在24小时以内，是一种最合理的MBJ设计。同时我们建议用户在打印过程中尽量采用短时间打印之后多次换缸的方式，不建议一次长时间打印多层零件。
当三种生产级的金属打印设备发布和完善之后，我们会考虑推出基于BJ技术的高分子材料打印，这也是我们为了集中力量发展MBJ技术而暂停了好几年的项目。易制团队的核心目标是通过BJ技术，开发各类应用，淡化制造的批量概念，普及柔性化数字制造技术。因此，2024年下半年，我们大概率会推出高分子材料彩色打印技术或高弹性材料打样技术。
材料供应生态需完善
粉末材料
粉末材料对于MBJ技术至关重要，他直接关系到零件的最终性能、成本，甚至能否正常完成打印。由于MBJ设备厂商多擅长于机械、软件、工艺等研发，为了完成基本的打印工作，他们也都开发了粘接剂，设备厂商通常唯一没有涉足的主要是粉末材料，这就造成了目前MBJ技术所需要的专业粉末供应短缺的现状。
MBJ打印零件之后需要高温烧结才能得到最终零件，这个烧结过程与金属粉末注射成型（MIM）的烧结过程类似，因此从烧结性能对粉末材料的要求与MIM类似，就是需要粉末材料具有良好的烧结活性。但是常规MIM粉末采用水汽雾化技术生产，流动很差，而且松装密度和振实密度都较低，这几点对铺粉和提高打印致密度很不利。
在没有专业的MBJ粉末时，现在的MBJ厂商通常采用气雾化技术生产的粉末，这种粉末球形度高，流动性好，松装密度和振实密度都较高，但是这类粉末高温烧结时相对容易变形，而且气雾化技术生产的粉末成本较高，超细粉的出粉率较低，长远来讲这都是不合理的，在目前MBJ技术整体生产量不大情况下采用的一种折中方式。因此易制公司将会在2024年联合粉末供应商推出专业的MBJ粉末，主要包括不锈钢、高温合金和钛合金等，这类粉末会具有合适的流动性和较高的振实密度。
粘结剂
粘结剂也是各MBJ厂商的核心产品，它通常要求烧结残余少，粘接强度高，打印稳定不堵喷头。几年前由于市场上没有可用的商业化的粘结剂，所以最初的一批从事MBJ技术开发的团队必须独立自主开发粘结剂。
根据喷头的类型不同粘结剂的固化方式也会不同，采用热发泡喷头的打印机，墨水喷射时喷头加热汽化喷出粘结剂，所以粘结剂必须在受热时不能固化，否则就喷射不了。这就是为什么通常采用热发泡喷头打印的零件在保存时不能再次接触粘结剂所对应的溶剂，一旦接触到溶剂会再次溶解，表现为零件变软。比如热发泡喷头采用水性粘结剂打印的零件遇到水会再次溶解软化。
还有一个现象，目前国际上主流的MBJ厂商开发的粘结剂打印零件时需要加热，加热的目的是为了尽快定型喷射出粘结剂，从而减少粘结剂在粉末中的渗透保证打印精度。但是加热可能会对一些活泼材料（比如镁、铝、钛）加速产生氧化，为了提高粉末的重复利用率，易制科技一直坚持采用常温打印，粘结剂的渗透精度控制是通过调节粘结剂的粘度、张力等来实现，这种通过渗透控制调节精度的方法也很好保证了粘结剂Z向渗透精度。
目前易制公司商业化的粘结剂X、Y、Z三向渗透通常都控制在0.05mm（1200DPI分辨率孔间距的两倍）以内。这也是为什么MBJ技术打印零件的Z向精度和下表面质量通常明显优于SLM技术的原因，而SLM技术的Z向激光穿透深度较大，造成零件Z向和下表面精度较差。易制公司开发的粘结剂完成打印之后还需要有个低温（150℃左右）加热固化的过程，在这个加热过程中粘结剂产生固化反应，经过这个固化反应之后零件再次遇到其溶剂时也不会再次溶解。
所以易制公司水性粘结剂打印的零件可以用水清洗也不会溶解软化。目前所有MBJ厂商的粘结剂都需要有一个低温加热固化的过程，采用热发泡喷头打印零件的加热固化温度通常更高时间也更长。这个加热固化工序对MBJ技术来说是不得已的多余过程，而且对于满缸打印这个加热过程耗时很长（通常在6~20小时之间）。
因此易制团队正在开发新的粘结剂，以期望减掉加热固化这个工序。基本的思路是采用常温固化或多组分粘结剂，常温固化粘结剂会增加打印过程中喷头堵塞的风险，多组分粘结剂是一种很好的方法，粘结剂的不同组分通过不同通道喷孔喷射到金属粉末上同一位置，这不同的组分材料在常温下发生固化反应来粘接粉末成形。易制公司很可能会在2024年推出不需要加热固化工序的粘结剂。这样不仅能减少零件的生产工序，还可以减少成本。
技术升级完善之路还有很远
针对粘结剂喷射3D打印技术，易制团队与华中科技大学快速制造中心开展了超过十年的独立自主合作研发，到目前为止，BJ所涉各基础技术方面都基本有了一个完成的闭环，无论从设备的合理性设计、高精度打印、零件的一致性水平、抗堵环保性粘结剂、高效率打印、均匀送粉铺粉、高速数据处理、自动送粉清粉等关键核心技术都处于世界前列，也就是说易制公司已经有了一整套较完备的MBJ技术方案，接下来的主要工作是针对粉末的设计和制备、烧结技术理论等开展深入研究，丰富材料体系。
我曾经说过MBJ技术没有止境，主要就是指材料及烧结理论。
单单从打印机来讲，过去主要集中在解决高精度打印、铺粉和喷头清洗上，所以大家的核心专利都集中在这几方面。高精度打印与喷头类型、墨滴喷射情况、数据处理等息息相关，易制团队有十年的研发经历，使用并大量测试了爱普生、精工、理光、赛尔、京瓷等各品类多型号喷头，在喷头喷孔排列、墨水兼容性、墨滴大小、喷射速度控制等对MBJ技术的影响方面积累了大量的经验，特别是在高精度打印数据处理方面独树一帜，从实际打印效果来看也很不错，已经没有明确的短板需要提高，当然2024年继续对其优化是肯定的，但主要工作体现在人性化优化和界面美化方面。
至于送粉铺粉方面，从几家已经公开机型的主要MBJ厂商来看，Markforged（Digit Metal）、Desktop Metal（Exone）的生产级机型都采用了上送粉铺粉方式，也都有自己独特的技术方法，易制（EasyMFG）公司也在生产级的机型上采用了自己专有的筛分上送粉铺粉技术，能提高铺粉致密度5~10%，2024年在铺粉方面的优化主要在进一步提高粉末兼容性以及减少扬尘等方面。
而HP公司仍然采用了传统的下送粉铺粉技术。
两类送粉方式具有明显不同的特点，下送粉机构结构简单，但是要求粉末具有很好的流动性，通常需要使用球形粉末。上送粉机构复杂度极高，但是对粉末兼容性更好，球形度不高的粉末也能均匀铺展在大台面工作缸上，而且显然更适合不间断连续供料。这可能是多数MBJ厂商在生产级机型上采用上送粉方式的主要原因。只是各MBJ厂商对自有的上送粉技术应该都申请了专利，后来者能否避开专利限制或研发新的上送粉机构还很难说。
至于喷头清洗，主要是指打印过程中实时对喷头表面进行清理。我们曾经一度认为打印过程中对喷头表面进行清洗是否必要，因为墨水正常打印情况下是可以保证长时间稳定喷射的，但是对于MBJ技术来讲，喷头喷射粘结剂在粉末表面时，那些超细的粉末很容易产生飞扬，而且这个扬尘的程度是非确定性的，当粉末吸附在喷头表面时，就会造成下一次喷墨时的缺陷。某种意义上来讲，MBJ技术在长时间工作时喷头表面在线清理可能是必要的。
应用市场有望爆发
2024年，随着制造业对高效生产和个性化定制的需求不断增加，金属3D打印技术将在更多领域扩大应用是肯定的，MBJ技术在全球范围内继续呈现出强劲的发展势头也是大概率事件。航空航天、3C电子、汽车、能源等行业将成为技术应用的重点，同时，消费级市场对于个性化定制产品的需求也可能促使技术在零售和个人制造领域取得更多突破。
展望未来，2024年将是MBJ技术在全球进一步创新和扩展市场份额的一年，环保和可持续性将成为粘结剂喷射金属3D打印技术发展的重要方向，公司们将更加注重材料的环境友好性，尤其是在粘结剂的选择和循环利用方面。努力降低能源消耗、废料产生和碳足迹，将是共同努力的目标。
我们意识到，金属3D打印在国内的现状有别于欧美等发达国家，国家主导的航空航天应用领域，SLM技术已经深入人心，这些行业的领导者们却几乎不太了解MBJ技术，甚至持有怀疑态度。而且，国内的几家SLM厂商实力雄厚，相比于MBJ厂商，无论从资金投入和参与人数上都具有压倒性优势。另外，基于竞争和扩大增量市场的考虑，这些SLM厂商，在民用应用推广上投入的力度也可以说是前无古人的，商业措施百花齐放。加上MBJ技术在钛合金粉末供应上的短缺，苹果、华为等巨头率先采用SLM技术制造其钛合金电子产品，让很多人可能误认为MBJ技术不如SLM。
事实上，在国际上发达国家对MBJ技术的接受度远远高于国内，他们能科学理解MBJ技术的批量生产能力和成本优势，这也是为什么苹果公司在不锈钢产品的制造上选择了MBJ而不是SLM技术。我们测算过，对于苹果公司不锈钢手表壳那种产品，一台生产级MBJ设备一天可以打印接近2000个，这个速度和成本都与采用模具生产的注射成型（MIM）相当，而且省掉了开模具和脱脂的过程。
对2024年的整个MBJ行业，一方面，我们希望处在退市风险之中的MBJ先行者能够顺利度过难关，与HP、GE等其他MBJ厂商一起努力扩大应用，同时也迫切期盼他们能够快速进入中国，加强、增大MBJ阵营实力，通过共同努力在2024年证明MBJ技术的优势，让用户真正理解MBJ技术。另一方面，从了解到的实际情况来看，易制公司仍然还是中国在MBJ技术上具备国际竞争力的代表之一，我们也需要为行业践行出力，力争2024年在应用上有所突破。
首先，我们会在3C电子行业上展示合格的钛合金制品，把MBJ工艺成本控制在2元/克左右，在钛合金零件上致密度达到98%，满足高抛光要求。对于致密度要求极高的场景，我们有充分的理由和数据证明，结合热等静压之后的零件可以达到全致密（MBJ的真空孔在热等静压之后可以全致密，SLM零件即使经过热等静压也消除不了气孔），综合性能超过锻件，在此基础上把这种钛合金制品推向航空航天领域。再次，迅速扩展不锈钢、模具钢、陶瓷等在粉末冶金、液压阀门、模具等行业开展批量生产。
另外，在2024年我们会坚持走出去的思想，除了国内在长三角和珠三角成立子公司或办事处之外，积极推动易制产品走向国外，2024年的德国formnext展会肯定会展示最新的设备，欧洲、东南亚、印度等区域和国家也应该会有所建树。
未来值得期待
2024年，粘结剂喷射金属3D打印技术可能会在全球范围内迎来更广泛的市场拓展。新兴市场和发展中国家可能成为增长的关键驱动力，因为这些地区的制造业和科技应用逐渐崛起。公司们可能会寻求在这些市场建立更多的合作伙伴关系，以满足当地需求并促进技术的本地化发展。在进一步理解了MBJ技术之后，相信2024年可能会有更多的教育和科研资源投入，这都有利于培养更多粘结剂喷射金属3D打印技术的专业人才。同时，行业组织和标准制定机构可能会更加积极地参与，易制公司将会联合大家，共同制定更为规范和统一的行业标准，为技术的稳健发展提供更有力的支持。
最后，我们对这个充满机遇和挑战的2024年满怀信心，粘结剂喷射金属3D打印技术有望继续领导着制造业的数字化转型，为全球创新和可持续发展做出更大的贡献。从业者们需要紧密关注市场变化，灵活调整战略，以确保在这个充满活力的行业中保持竞争力。
南极熊备注：从数量上看，目前关于粘结剂喷射技术的研究与应用主要集中在砂型打印，其次是基于粘结剂喷射的金属3D打印领域。隆源成型、武汉易制、宁夏共享、峰华卓立等国内公司通过自主研发设备，成功实现了粘结剂喷射在砂型打印中的应用，并进一步，通过将该技术应用于金属3D 打印，实现了基于粘结剂喷射技术的金属 3D 打印设备的开发。部分国内开发的粘结剂喷射技术的金属 3D 打印设备还可实现对个别类型的陶瓷粉末的 3D 打印，但专门针对粘结剂喷射技术的陶瓷 3D打印设备仍处于研发阶段。 |
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