“目前已经有不少传统的制造业大厂，找到我们想合作，开始涉足粘结剂喷射3D打印了。但是他们往往找不到好的上游零部件、材料供应商，做起来没啥头绪。”
2023年8月，南极熊拜访了国内粘结剂喷射3D打印主控板厂商——上海融跃科技，主营业务是工业喷墨打印控制系统，2016年起开始利用自己的技术积累，专门针对粘结剂喷射3D打印技术开发了专用的主控板及其配套的打印控制解决方案，其负责人郑兴建透露了目前行业的情况，“产业链太不完善了，做起来很难。”
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。但是相比于国外，国内对于粘结剂喷射技术的研究开展较晚，不少人想入行，但是往往会找不到合适的上游零配件产业链供应商，或者不知道那些比较靠谱。为了让更多企业和创业者可以从事这方面产品的开发和应用，南极熊汇总了国内外粘结剂3D打印的产业链供应商资源，希望能够推动粘结剂喷射技术的发展！
粘结剂喷射增材制造（Binder Jetting Additive Manufacturing，简称BJAM）技术是一种常见的金属3D打印技术。该技术基于粉末床工艺，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初坯，随后将打印的初坯置于均匀的热环境中进行脱脂和烧结，使其致密化并获得机械性能良好的零件。
一、粘结剂体系
BJAM技术具有高效率、低成本、材料体系广泛、表面质量良好、常温打印和无需支撑结构等独特优点。影响BJAM打印金属零件质量的因素可分为材料和工艺。材料因素包括粉末和粘结剂特性，粉末特性决定粉末床质量、初坯密度和致密化效果，初坯的几何形状和强度受到粘结剂的影响。
选择合理的粘结剂是BJAM技术的关键之一。首先，粘结剂必须是可与喷墨打印头匹配的，只有粘结剂具有合适的粘度，表面张力等特性，才能保证喷头中形成的单个液滴顺畅的通过成千上万个直径微米级的小孔，并且稳定、高速的实现图像打印。同时，粘结剂又需要有足够的粘结强度才能保证打印的初坯结构完整。此外，还需要有良好的粘结剂—粉末相互作用、清洁燃烧特性及较长的保质期和无环境污染风险。
△粘结剂喷射中粘结剂—粉末相互作用
用于 BJAM 技术的粘结剂可分为有机和无机粘结剂2种类型。
无机粘结剂的粘接强度相对较高，但是高温烧结时的残余很难去除，因此在选择无机粘接剂时需要考虑把残余部分作为添加剂存在于金属材料里面，改善或提高金属材料的性能。
有机粘接剂的主要元素为碳、氢、氧，烧结后的残余相对较小。根据粘接剂溶解的材料匹配喷头的不同。
粘接剂可以分为溶剂型粘接剂和水性粘接剂水性粘接剂采用水来溶解稀释粘接剂，比较环保，通常使用水性喷头，意思是喷头可以接受水作为墨水的主要物质，如果该喷头采用了溶剂型墨水，可能会损坏喷头。溶剂型粘接剂是使用有机溶剂来溶解稀释粘接剂，有机溶剂的排放有严格规定，需要采用溶剂型喷头来喷射粘接剂，如果采用水性喷头来喷射溶剂型粘接剂，通常也会损坏喷头。
粘接剂的粘接原理可以是化学反应固化粘接、析出粘接和重结晶粘接。化学反应固化很好理解，喷头在喷射粘接剂到粉末上之后，粘接剂在某种情况下（如加热）发生化学反应，生成高强度高分子材料来粘接成形。析出粘接是指粘接剂的溶剂挥发之后析出固体物质来粘接粉末材料。而重结晶粘接通常是向金属盐粉末中沉积饱和金属盐溶液，利用重结晶过程形成新的相互连接的金属盐晶体，该粘接方法在很少被商业化的使用。
从事金属BJ打印技术的厂商都开发有自己专用的粘接剂，也基本只针对自己的客户销售，造成目前市场上可采购的商业化的粘接剂很少，长沙墨科瑞可能是目前中国少有的专门从金属BJ打印技术粘接剂开发的公司。由于粘接剂开发需要长时间大量的实验，而且粘接剂需要专门匹配喷头和金属粉末，控制墨滴大小、喷射速度、渗透精度、粘接强度，同时不同的墨水混用很容易造成喷头堵塞，就是说一种喷头和粉末需要专用的粘接剂，也就造成专业的粘接剂生产企业很难生存和发展。即使是在成熟的传统数码喷绘行业，在没有考虑墨水与粉末结合影响因素的情况下，不同的喷头都有专用的墨水。因此，粘接剂生产企业需要大量的投入去匹配市场上BJ设备的不同喷头和粉末，专业金属BJ打印粘接剂生产之路任重且道远。
粘结剂厂商包括
长沙墨科瑞：
- 2021年5月推出环保水性粘结剂；
- 2022年3月，他们研发成功第二代零残留水性粘结剂，适合金属、陶瓷粉末的BJAM工艺。低残碳水性墨水是未来BJAM发展的一个主要方向，因为新的水性环保墨水具有极低的残碳量，适合于对碳元素敏感的金属材料的批量化生产；
- 高强度自清洁墨水
三帝科技：
（粘接剂没有所谓的高精度之说，只存在匹配不好造成的精度问题，以上规格需酌情考虑）
三帝科技通过自主科研团队和自研高性能设备，在材料体系配方开发、成型工艺优化、产品性能提升等方面进行了深入研究，目前已成功研发推出5大系列包括铁基合金、轻金属合金、陶瓷等20余种基体材料的水基粘结剂及有机溶剂粘结剂，并具备粘结剂配方的自主设计能力，能够满足用户新材料、新应用对定制粘结剂的开发需求。
二、BJ打印头
△打印喷头
喷头是粘结剂喷射技术的关键结构件。按原理不同，可分为连续式按需式两种。按需打印又分为热喷头、压电喷头、静电喷头、声波喷头等，其中压电式喷头打印因其不需要加热粘结剂，可以一次性快速成型较高尺寸和形状精度的构件，因此成为了BJ打印的主流技术。压电式喷墨头包括了弯曲式喷墨头、剪切式喷墨头、推压式喷墨头和挤压式喷墨头四种。压电式喷墨头技术仍以国外行业巨头为主，为进一步加强技术自主能力，避免“卡脖子”技术壁垒，国内院校企业开展了一系列的研
发，主要关注于压电式喷墨头，在国外压电式喷墨头的基础上设计相应的控制系统。
△目前粘结剂3D打印机中常用的几种喷头
目前压电喷头的国产化仍然十分困难，因为打印技术涉及众多难点，包括：多学科领域、精密微机械加工、众多生产级测试设备需自主研发以及国外喷头技术的垄断。国内可自主研发生产压电式喷头的公司主要有广州爱司凯、北京奥润联创两家公司，大部分BJ打印样机生产厂商会采用进口 + 国产的方式配备产品。目前主流的BJ技术应用喷头是： FUJIFILM Dimatix（北极星，美国）、XAAR（赛尔，英国）、RICOH(理光，日本)、Kyocera(京瓷，日本)、Epson(爱普生，日本)、。喷头的性能指标主要包括：墨滴大小、喷孔数量、喷头物理精度、打印精度、打印速度、点火频率、喷嘴宽度，粘度范围、表张范围、适应墨水类型、耐温范围、使用寿命等。
三、控制系统
在衡量BJ打印机的工作性能中，打印质量、打印速度和打印稳定性是重要指标。BJ打印控制系统作为喷墨打印机的核心模块，直接影响着BJ打印机的打印质量和打印速度。当BJ打印机确定了所使用的BJ打印头后，则需要开发适配该BJ打印头的BJ打印控制系统，实现对该BJ打印头的驱动。
在喷墨打印行业，通常喷头厂家是没有提供喷头打印控制系统的，就是说他们只销售喷头；喷头厂家把喷头的驱动技术开放给专业的做喷头控制系统的公司，国内已经有了上十家做喷头控制系统的企业，例如深圳汉森、上海融跃、北京博源恒芯、武汉璟丰，这些企业专门配套喷头研发驱动板卡，销售板卡系统，喷头厂家销售喷头，配合在各打印领域推广。但他们主要专注于数码喷绘行业。上海融跃是少有的花大精力投入在BJ领域的控制系统供应商。
在国内喷头控制系统供应商进入BJ领域之前，确实是国外的BJ控制系统厂家占有绝大部分市场，但是经过近十年国产化进程，目前国内的BJ打印厂商95%以上已经用上了国产化系统。
四、打印数据处理系统
通常3D打印的数据处理包括切片和路径规划，“路径规划”这点在BJ技术里面叫“RIP”。粘结剂喷射3D打印（BJAM）最终打印的是点阵数据，而要打印的3D模型是基于坐标的矢量数据，三维CAD模型进行切片后，必需将切片数据进行位图绘图得到点阵数据，才能发给打印机进行打印。因此对矢量数据进行位图绘图的质量，直接关系到最终打印成品的精度。RIP（光栅图像处理器，Raster Image Processor）软件的核心工作就在于此。通俗地讲，它的作用就是把计算机制作版面中的各类图像、图形和文字等解释运算、转变成可供打印设备接收并控制机器打印输出的光栅点阵数据。
由于RIP软件算法非常复杂，传统的喷头控制系统供应商通常都不做RIP算法，数码喷绘行业的RIP软件供应商也很少，主要有武汉蒙泰、深圳汉森等。因此在国内刚发展BJ技术做砂型打印时，通常由控制系统供应商提供一个简单的RIP算法，由于砂型打印的精度要求不高，这个简单的RIP算法是足够的。但是如果在金属BJ技术里面仍然采用那种简单的RIP算法，就会造成数据处理耗时长或打印精度不高的问题出现。因此要发展高速度高精度BJAM技术，要么传统的喷绘行业RIP供应商或控制系统供应商根据BJ打印技术的特点来开发专门的BJ技术RIP算法，要么BJ设备生产商自己开发专业的BJ技术RIP软件。据悉国内具备RIP算法软件的生产企业仅有武汉易制科技有限公司。
五、粘结剂3D打印设备
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。
△惠普金属粘结剂打印设备
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、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。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、郑州中兴三维等代表性厂商。
南极熊总结
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。武汉易制、宁夏共享、隆源成型、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。
|
京公网安备11010802043351