ExOne：粘合劑噴射金屬3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)化,，是一場(chǎng)持久戰(zhàn)

南極熊導(dǎo)讀：“走在時(shí)代的前面既是一件幸事，也是一種挑戰(zhàn),�,！弊鳛檎澈蟿﹪娚洌˙inder Jetting ）金屬3D打印技術(shù)的先驅(qū),，ExOne公司一路走來(lái)的經(jīng)歷就很好地闡釋了這句話的意義,。

近年來(lái),，隨著人們對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的興趣激增,，ExOne發(fā)現(xiàn)自己多了一批資金雄厚、野心勃勃的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手,。
△粘合劑噴射3D打印機(jī)

下面這篇文章中,，就職于ExOne的Sarah Webster回顧了該公司的發(fā)展歷程——盡管一路走來(lái)步履維艱，但是ExOne所設(shè)計(jì)的發(fā)展路徑,，卻又能在技術(shù)日新月異的背景之下處于強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)地位,。

南極熊希望，中國(guó)的粘合劑噴射（金屬）3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)界,，可以充分了解技術(shù)的發(fā)展歷程和關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn),，加快發(fā)展。
粘合劑噴射3D打印越來(lái)越強(qiáng)大

預(yù)計(jì)在2021年,，進(jìn)入到市面上的生產(chǎn)型粘合劑噴射3D打印機(jī)的數(shù)量將會(huì)達(dá)到前所未有的水平,。這標(biāo)志   著這項(xiàng)工藝迎來(lái)了一個(gè)非常重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，那就是從長(zhǎng)期被大眾視為小眾市場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)槿缃竦囊环N不可或缺的力量,！

對(duì)于關(guān)注這項(xiàng)技術(shù)的人都知道，一些大品牌,，比如惠普,，GE以及獨(dú)角獸創(chuàng)業(yè)公司Desktop Metal正在層出不窮地推出新設(shè)備，預(yù)計(jì)將來(lái)還會(huì)有更多的機(jī)器涌入市場(chǎng),。

與此同時(shí),，作為粘合劑噴射3D打印技術(shù)的先鋒者、市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者,，ExOne正在推出兩款生產(chǎn)型的系統(tǒng)：X1 160Pro™和InnoventPro™,，這兩套設(shè)備為金屬注射成型以及其他領(lǐng)域的制造商提供了一系列完整的功能選項(xiàng)。


△(左起第二個(gè)) ExOne的新款X1 160Pro™是該公司新一代金屬粘合劑噴射機(jī)系列的一種,， 還包括InnoventPro(左),、X1 25Pro(右)以及用來(lái)移動(dòng)粉盒的X1D1自動(dòng)引導(dǎo)車（AGV）。南極熊備注：在全球3D打印產(chǎn)品庫(kù)https://product.nanjixiong.com/中,，已經(jīng)收錄一批金屬粘合劑噴射3D打印機(jī)


隨著這項(xiàng)技術(shù)的飛速發(fā)展,、日新月異，如今我們即將迎來(lái)它誕生的第30個(gè)年頭,。每天似乎有一種力量在背后驅(qū)動(dòng)著,，讓它變得越來(lái)越強(qiáng)大：

• 業(yè)內(nèi)人士越來(lái)越相信粘合劑噴射技術(shù)是最有可能將增材制造技術(shù)應(yīng)用到大批量生產(chǎn)中去。
• 批量增材制造交付數(shù)量可觀的可持續(xù)產(chǎn)品越來(lái)越重要,。
  

換句話說,，你今天可以以高價(jià)小批量增材制造輕便、小巧的金屬零件,，但是如果你想要更大的變革,，則必須能夠?qū)崿F(xiàn)低成本,、大批量的生產(chǎn)。毋庸置疑,，粘合劑噴射3D打印技術(shù)就是最佳的一種方式,。

激光粉末床熔合金屬3D打印技術(shù)的限制性

在過去的十年里，激光束粉末床熔合（PBF-LB）增材制造證明了具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的金屬增材制造可以有效應(yīng)用在一些領(lǐng)域,，例如航空航天,、軍工等；但對(duì)于大多數(shù)用戶而言,，擴(kuò)大PBF-LB生產(chǎn)規(guī)模顯然存在嚴(yán)重壁壘,。

當(dāng)考慮用PBF-LB為汽車生產(chǎn)線提供價(jià)格合理的金屬零件時(shí)，速度,、成本和復(fù)雜性又是非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),。

這種挑戰(zhàn)已經(jīng)將我們對(duì)金屬增材制造的希望轉(zhuǎn)移到了粘合劑噴射工藝上。 這一技術(shù)對(duì)于生產(chǎn)輕量級(jí)電動(dòng)汽車尤為重要,，電動(dòng)汽車迎來(lái)爆發(fā),，而且日趨成熟起來(lái)。

這個(gè)轉(zhuǎn)變對(duì)一些機(jī)構(gòu)影響深遠(yuǎn),。ASTM,，ISO，MPIF,，DNV GL以及其他標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布機(jī)構(gòu)正在盡快制定全球粘合劑噴射技術(shù)的設(shè)計(jì)指南和質(zhì)量評(píng)估方法,。SAE率先發(fā)布了AMS7022。

粘合劑噴射金屬3D打印技術(shù)的發(fā)展歷程

如今,，圍繞粘合劑噴射金屬3D打印技術(shù)的討論越來(lái)越激烈,，卻忽視了技術(shù)發(fā)展至今的背后所耗費(fèi)的精力和時(shí)間。

該技術(shù)的開發(fā)主要由ExOne主導(dǎo),，在1995年至2013年期間,，ExOne在金屬粘結(jié)劑噴射技術(shù)領(lǐng)域幾乎沒有競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，其開發(fā)涉及到與公立和私立大學(xué),、政府實(shí)驗(yàn)室以及還有很多其他的粉末冶金和燒結(jié)領(lǐng)域的全球合作,。

這是一項(xiàng)幾乎不可實(shí)現(xiàn)的技術(shù)，許多人一路上都放棄了,，說它太復(fù)雜了,，永遠(yuǎn)都不可能成功。

除了物理,、化學(xué),、粉末、冶金,、電子,、軟件和熔爐的復(fù)雜技術(shù)需求之外,，其中一個(gè)重要開拓者去世了，幾乎導(dǎo)致所有的努力付諸東流,。

快速開局,，隨之而來(lái)是戰(zhàn)略調(diào)整

粘結(jié)劑噴射技術(shù)的商業(yè)化故事始于1996年，當(dāng)時(shí)位于美國(guó)賓夕法尼亞州的Extrude Hone公司首次獲得了麻省理工學(xué)院的專利技術(shù)許可,。

一家創(chuàng)新的磨料流加工而聞名的制造技術(shù)公司獲得了專門用于金屬制造的獨(dú)家使用許可,。其他公司也獲得使用許可權(quán)，但是是用作于加工其他材料制品,。



△ExOne創(chuàng)始人Larry Rhoades,，以及世界上第一臺(tái)金屬粘合劑噴射3D打印機(jī)ProMetal RTS-300

Extrude Hone的創(chuàng)始人Larry Rhoades是一位具有創(chuàng)新精神的冒險(xiǎn)家，他依靠敏銳的嗅覺捕捉到到該技術(shù)將會(huì)帶來(lái)不可估量的機(jī)會(huì),。

該公司位于匹茲堡郊外,，離賓夕法尼亞州的St. Marys不遠(yuǎn)。St. Marys被稱為“世界粉末金屬之都”,，因?yàn)樵摰貐^(qū)有大量的結(jié)構(gòu)粉末冶金部件工廠和金屬粉末生產(chǎn)商,。

因此，將金屬粉末“3D打印”成未燒結(jié)的生胚件（需要在爐子中進(jìn)一步燒結(jié)）,，對(duì)他來(lái)說似乎并不是一個(gè)遙不可及的概念,。當(dāng)時(shí)，MIM行業(yè)已經(jīng)做得非常類似,。

1995 年，Rhoades 在預(yù)期完成授權(quán)的情況下,，在 Extrude Hone 內(nèi)部成立了一個(gè)ProMetal 部門,，專門負(fù)責(zé)金屬增材制造（AM）。

它以其創(chuàng)造性的臭鼬工廠氛圍而聞名——“臭鼬工廠項(xiàng)目”是一個(gè)術(shù)語(yǔ),，用來(lái)描述由一個(gè)小型的,、結(jié)構(gòu)松散的團(tuán)隊(duì)開發(fā)的項(xiàng)目，主要是為了創(chuàng)新而研究和開發(fā)產(chǎn)品,。

獲得許可證兩年后,，該公司推出了ProMetal RTS-300，這是世界上第一臺(tái)金屬粘結(jié)劑噴射3D打印機(jī),。RTS是“快速加工系統(tǒng)”的簡(jiǎn)稱,。它被譽(yù)為麻省理工學(xué)院專利的化身，很快就被摩托羅拉收購(gòu)了,。南極熊3D打印網(wǎng)備注：在很長(zhǎng)一段時(shí)間,，ExOne依靠砂型3D打印機(jī)而獲得收入。

然而,，在當(dāng)時(shí),，這項(xiàng)技術(shù)存在嚴(yán)重的局限性——特別是粉末顆粒的尺寸,。這臺(tái)機(jī)器可以成功地用D50， 約為60μm的粉末制造零件,，該粉末粒徑足夠大,，在粉末床中流動(dòng)很容易，但是交付的最終零件含有很多孔隙,，很難通過燒結(jié)得到高致密度的最終零件,。

這就要求用另一種金屬材料滲透到這個(gè)零件中，以達(dá)到完全致密,。這些所謂的“金屬基體”材料,，   如將316或420不銹鋼中滲入青銅。這也成為ExOne小型研發(fā)團(tuán)隊(duì)多年來(lái)關(guān)注的重點(diǎn),。

△早期用粘合劑噴射工藝生產(chǎn)的零件,，由不銹鋼制成，并含有青銅,。該零件是為Ulterra生   產(chǎn)的,，用于需要高耐磨性的井下鉆井應(yīng)用

這些基質(zhì)含有約40%的滲透性材料，具有良好的耐腐蝕和耐磨性能,，可以加工,、焊接和拋光。

事實(shí)上,，ExOne仍在為某些客戶和行業(yè)應(yīng)用生產(chǎn)數(shù)十萬(wàn)個(gè)這種材料的零部件,。

然而，市場(chǎng)對(duì)這種材料的需求非常有限,。如果粘結(jié)劑噴射增材制造想要大放異彩,，ExOne就必   須能夠生產(chǎn)含有一種單合金的高致密度金屬(類似于大多數(shù)機(jī)械廠每天將棒材庫(kù)存機(jī)加工成零件)

Exone團(tuán)隊(duì)人員開始用“單合金”這一口號(hào)來(lái)詮釋這個(gè)愿望。起初,，所有人都認(rèn)為這很簡(jiǎn)單,。

乍一看，過程似乎好簡(jiǎn)單：畢竟只是將膠水粘到粉末上,，對(duì)吧,？

但是他們了解的越多，面臨的挑戰(zhàn)也越來(lái)越明顯,。

最終,，團(tuán)隊(duì)清醒地認(rèn)識(shí)到，如果沒有十年,，或者更長(zhǎng)時(shí)間，用粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)來(lái)生產(chǎn)單合金這幾乎是不可能的,。

但是Rhoades并沒有被嚇住,，他開始計(jì)劃通過出售Extrude Hone來(lái)籌集資金,，這樣他就能夠?qū)⒃霾闹圃觳縿冸x出來(lái)，從而建立一家可以顛覆世界的技術(shù)性新公司,。

在國(guó)家工程院的一篇文章中,，Rhoades提到了這個(gè)話題，他說,，粘結(jié)劑噴射技術(shù)將不再因?yàn)榧庸ぎa(chǎn)生浪費(fèi),，使分散制造成為可能，并賦予技術(shù)人員全新的設(shè)計(jì)自由,，從而將他們從每天遇到的束縛和限制中脫離出來(lái),。

作為一個(gè)務(wù)實(shí)的生意人，Rhoades同樣將粘合劑噴射技術(shù)的業(yè)務(wù)擴(kuò)展到金屬鑄造領(lǐng)域中,，比如制作一些砂模和型芯,。

將新舊技術(shù)結(jié)合起來(lái)，這是一個(gè)非常明智的決定,！
當(dāng)用增材制造技術(shù)制作完模具和型芯之后,，將金屬澆灌到模具中，這種方式與過去數(shù)世紀(jì)以來(lái)所采用的大致相同,，但是應(yīng)用卻變得簡(jiǎn)化,。制砂模型芯業(yè)務(wù)起步后，Rhoades開始從中獲取利潤(rùn),， 以支付開發(fā)金屬粘合劑噴射3D打印技術(shù)的研發(fā)成本,。

△十幾年前，ExOne在匹茲堡郊外的工廠生產(chǎn)了成排的R2機(jī)器

2003年ExOne發(fā)布了R2,， 這是有史以來(lái)生產(chǎn)的最成功的的金屬粘合劑噴射3D打印機(jī)之一,。
△ExOne R2

這臺(tái)機(jī)器最初用60μm的粉末生產(chǎn)滲透性金屬和單合金金屬，但是現(xiàn)在用改良過的,、粉末粒徑分布為90%、處于22μm的粉末,。

2005年,，Rhoades正式投身于金屬粘合劑噴射3D打印技術(shù)研發(fā)，將Extrude Hone 以1.37億美金出售給Kennametal公司,，并將ExOne公司從中獨(dú)立出來(lái),。


該團(tuán)隊(duì)開始專注于單合金的研發(fā)，并且制定了明確的策略,，那就是,，用粒徑更小的粉末打印出來(lái)的產(chǎn)品，致密度水平可以與經(jīng)壓制和燒結(jié)的粉末冶金制品（致密度85–93%）或者甚至用金屬注射成型技術(shù)制作的制品（致密度96~98%）相差無(wú)幾,！

ExOne 一個(gè)技術(shù)小哥同樣也是最早R2的開發(fā)者,，Dan Brunermer表示,，“最早，我們大部分人對(duì)金屬注射成型技術(shù)知之甚少,，好多東西需要去學(xué),。”


Exone 和金屬粘合劑噴射3D打印技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)

2007年,，Rhoades在夏威夷水肺潛水時(shí)竟出了意外,，駕鶴西去，悲也,！

毫無(wú)疑問,，他是金屬粘合劑噴射3D打印技術(shù)的發(fā)明者，也是真正的支持者,！人們緬懷他,，因?yàn)樗�愿意將個(gè)人利益拋之于腦后，為改變世界做出自己的貢獻(xiàn),！


創(chuàng)始人Rhoades的離開,，給一部分Extrude Hone出售后留下來(lái)的員工帶來(lái)了不確定性和傷感！

那個(gè)時(shí)候沒有人真正從事過金屬粘合劑噴射3D打印技術(shù)的研發(fā),。雖然Exone獨(dú)家享有MIT金屬粘合劑噴射3D打印的專利許可,，但是沒有人能夠真正將其商業(yè)化。

Rhaodes一直都是該技術(shù)的推動(dòng)者,，很多人都懷疑,，如果沒有他，這個(gè)業(yè)務(wù)是否還可以繼續(xù)推進(jìn)呢,？


△ExOne董事會(huì)主席 S Kent Rockwell

然而不久之后,，Exone就被 S Kent Rockwell全資擁有的一家公司收購(gòu)，他一直擔(dān)任該公司董事會(huì)主席,。他也曾在2013~2016年以及2018年6月~2019年5月的過渡期期間擔(dān)任CEO,。

Rockwell為開發(fā)單合金金屬帶來(lái)了全新的視角，注入了新鮮的血液,，同時(shí)制定了一個(gè)長(zhǎng)期的策略,。


新的發(fā)展戰(zhàn)略：材料技術(shù)很重要

2012年夏天，Rockwell為ExOne聘用了一名新的首席技術(shù)官,，從此給研發(fā)單合金金屬開啟了新的篇章,。
△ExOne的首席技術(shù)官 Rick Lucas

Rick Lucas 曾經(jīng)擔(dān)任過Touchstone研發(fā)實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)營(yíng)總裁，這是個(gè)私營(yíng)研發(fā)實(shí)驗(yàn)室,，專注于創(chuàng)新產(chǎn)品和服務(wù)領(lǐng)域的材料開發(fā),。

他成功的推出過超過20種以上先進(jìn)材料產(chǎn)品，其中有四種產(chǎn)品獲得了R&D 100 獎(jiǎng)項(xiàng)，這給ExOne帶來(lái)了一個(gè)全新的局面,！

Lucas回憶,，他當(dāng)時(shí)在Exone有一種非常特殊的信念，那就是“我們是一家機(jī)器工具公司”,。

不過,，在他看來(lái)，如果ExOne的機(jī)器無(wú)法加工出精度高且性能滿足客戶需要的產(chǎn)品,，那么它面臨真正的一大挑戰(zhàn)是——材料研發(fā)�,。�,！

盡管公司在生產(chǎn)該機(jī)器方面具有大量專業(yè)知識(shí),，特別是噴頭、電子器件,、物理和機(jī)械設(shè)計(jì),，但是對(duì)于增材制造的基礎(chǔ)金屬材料的理解，以及如何加工,，卻不得要領(lǐng),。

所以，Lucas開始對(duì)研發(fā)小組重新定位,，將重點(diǎn)放在材料上,。于是他制定新的年度發(fā)展路線圖，重點(diǎn)研發(fā)滿足MPIF行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的一系列的金屬材料,。

這個(gè)路線圖以研發(fā)不銹鋼為起點(diǎn),，把極具高難度的鋁作為終點(diǎn)。眾所周知,，在金屬注塑成型領(lǐng)域?qū)⒉讳P剛和粘合劑一起使用很容易,，而鋁卻從來(lái)就沒有在金屬注塑成型領(lǐng)域成功使用過。

Lucas回憶說：“這樣做是從根本上改變了我們的戰(zhàn)略,�,！� “我們從一家最初并不在乎材料的設(shè)備制造公司，變成了一家在客戶所需材料的驅(qū)動(dòng)下向前發(fā)展的公司,�,！�


△ExOne二十多年來(lái)材料研發(fā)進(jìn)度：從大顆粒到滲透性材料，再到高致密度的單合金超細(xì)粉末

1996 −Large Particle Powders 大顆粒粉末材料

• 優(yōu)化3D打印工藝,，讓粒徑較大的粉末材料流動(dòng)性更好
• 尺寸約60μm
• 要想用粒徑較大的粉末打印出完全致密的產(chǎn)品，滲入另外一種材料必不可少,，一般是青銅或銅,。
  

2005 −Finer Particle Powders 更精細(xì)的粉末

• 開始使用更細(xì)的粉末，大約30 μm
• 開始開發(fā)各種不同的適用于更細(xì)粉末的粘合劑——不同的粘合劑滲透性能和噴墨沉積方法
• 不斷完善粘合劑的配方、材料以及打印速度變量信息
  

2013 −MIM Powders 金屬注塑成型粉末

• 在大型航空航天客戶的項(xiàng)目中開始3D打印DID粉末
• DID粉末：30~9μm
• 發(fā)現(xiàn)DID粉末在2003年第一次推出的較舊R2機(jī)型上打印的效果很好
• 2016年專門針對(duì)DID粉末開發(fā)并推出了Innovent 3D打印機(jī)
  

2016 − Present Multiple MIM Powders 當(dāng)前的多種金屬注塑成型粉末

• 提供超過20種合格材料
• 十種單合金
• 六種陶瓷粉末
• 五種復(fù)合材料
• 另外,，有超過24種經(jīng)過R＆D批準(zhǔn)的材料
  

技術(shù)的極限

在Lucas剛?cè)温毜臅r(shí)候,，ExOne已經(jīng)將粉末粒徑從60 μm粉末降低到30 μm，但是顯而易見,， ExOne要想增材制造的生胚通過燒結(jié)達(dá)到高致密的效果,，就必須研發(fā)出粒徑更小的粉末材料。

ExOne將不得不用低于10 μm的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MIM粉末來(lái)進(jìn)行增材制造,！

在2012–2013年期間,，Exone與一家全球航空航天公司的聯(lián)合開發(fā)項(xiàng)目，第一次在實(shí)驗(yàn)室中使   用了超細(xì)MIM粉末,，打印出的零件致密度高達(dá)97％,！

這些零件是用R2打印的，這證明了并不是機(jī)器本身限制了這種效果,，而是對(duì)于材料的理解,，以   及如何控制機(jī)器的參數(shù)。

ExOne對(duì)這項(xiàng)成就沒有聲張�,。,。。,。◥灺暟l(fā)大財(cái),，嘿嘿！）,。因?yàn)镋xone知道在實(shí)驗(yàn)室里的突破,，和實(shí)際交付一臺(tái)可靠的能精確重復(fù)打印過程并且得到高質(zhì)量的結(jié)果的機(jī)器差距甚遠(yuǎn)。

然而,，盡管Exone沒有發(fā)表任何聲明,，但是它卻成功的上市了。這時(shí)Exone名聲大噪,，聲名遠(yuǎn)播,，大伙兒開始議論紛紛！

Exone能夠脫離產(chǎn)品幾何形狀的束縛,，用粘合劑噴射技術(shù)3D打印MIM粉末,，這個(gè)消息在一些航空航天、金屬粉末和增材制造領(lǐng)域不脛而走,，廣為流傳,！

人們認(rèn)為，如果賓夕法尼亞州的一家小公司都能做到的事情,，那么他們同樣也可以做到,！   
于是一些公司,，像GE等企業(yè)，紛紛加入到粘合劑噴射技術(shù)的研究的隊(duì)伍中來(lái),！

在2013年底,，全球領(lǐng)先的瑞典金屬粉末制造商Höganäs AB的子公司DM在收購(gòu)了fcubic AB之后首次引進(jìn)了粘合劑噴射技術(shù)。

言歸正傳,，然而ExOne用粘合劑噴射技術(shù)打印這些超精細(xì)粉末,，速度又是一大考驗(yàn)！

其中一個(gè)讓Binder Jetting技術(shù)從眾多增材制造方式中脫穎而出的是它的速度——快速打印整個(gè)層面的能力,。

△粘合劑噴射3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)原理

粘合劑噴射速度非�,？欤�這也是“3D打印”3D printing得名的原因,。

在該術(shù)語(yǔ)擴(kuò)展到表示所有增材制造的形式之前,，MIT的研究人員稱之為Binder Jetting 3D printing“粘合劑噴射3D打印”，   因?yàn)榇蛴〉倪^程與紙張打印非常類似,。

所以呢,，雖然R2可以快速的將粘合劑噴射到每一層，但是同時(shí)很難又快又準(zhǔn)的沉積和鋪開這些超細(xì)粉末,。

Brunermer 表示,，“它大約需要花上189個(gè)小時(shí)，還沒有商業(yè)化,。產(chǎn)品質(zhì)量好不好并不重要,。” “你得慢慢滾動(dòng)鋪粉輥鋪”,。

做出一臺(tái)具有商業(yè)價(jià)值且能快速精準(zhǔn)的鋪上這些超細(xì)粉末的機(jī)器是一個(gè)非常嚴(yán)峻的工程挑戰(zhàn),。

這些粉末的流動(dòng)性沒有砂粒的好！它們會(huì)像烘焙面粉一樣會(huì)結(jié)塊,！如果移動(dòng)的速度太快,，就很難均勻鋪開，還會(huì)產(chǎn)生一些云狀物,！

這就是為什么MIM行業(yè)會(huì)在顆粒中預(yù)先混合聚合物和蠟的部分原因,！

但是，一旦ExOne開始專注這個(gè)難題,，對(duì)于材料的理解又開始影響了機(jī)器本身的設(shè)計(jì),！

直到這之前，所有的金屬粘合劑噴射機(jī)器都有分配的功能,，它可以像一支口紅一樣,，垂直推動(dòng)或投給粉末，這個(gè)分配裝置也叫作箱式加料機(jī),，然后從粉末床緩慢鋪開,。

它適用于流動(dòng)性好的大顆粒粉末,，但是不適用于Exone現(xiàn)在開始在嘗試的一些超精細(xì)的顆粒粉末。

超細(xì)粉末帶來(lái)新挑戰(zhàn)

從事精密超細(xì)粉末的行業(yè)并不多,，所以為了指導(dǎo)他們對(duì)這一工藝的思考，研發(fā)小組發(fā)現(xiàn)自身專注于一個(gè)行業(yè)：制藥學(xué),。

Lucas表示“那是最接近的方法,！因?yàn)樗麄兙哂蟹浅＞��?xì)的粉末，并且還需要十分精準(zhǔn)的使用這些粉末”,。

“除此之外,，真的沒有其他人會(huì)用粉末做這種事情�,！�

那就是我們真正開始研究的地方,，也是我們?yōu)榱颂幚磉@種粉末而開始研究機(jī)械系統(tǒng)和工藝的地方。


△ExOne的專利三重先進(jìn)壓實(shí)技術(shù)(ACT)的示意圖,，可以用于精確分配超細(xì)粉末,，鋪展和壓實(shí)超細(xì)粉末。配備了這套系統(tǒng)的Innovent+,。


這項(xiàng)工作的最終結(jié)果是ExOne獲得三重先進(jìn)壓實(shí)技術(shù)（ACT）專利,，該系統(tǒng)可精確分配、鋪展   和壓實(shí)超細(xì)金屬粉末,。

這是如今ExOne的生產(chǎn)級(jí)粘合劑噴射金屬機(jī)的基本元素,，確保每一個(gè)開始打印的粉層大約有三個(gè)顆粒那么高，或30μm,，均勻地橫跨粉末床,。

通俗地講呢，人類頭發(fā)的直徑約為70米(μ米),，而10米(μ米)是血紅細(xì)胞的直徑,。

ExOne Triple ACT是一種專門設(shè)計(jì)的，三管齊下的方法,，使用超聲波來(lái)分配粉末,，然后是一個(gè)創(chuàng)新的反向旋轉(zhuǎn)的雙輥系統(tǒng)來(lái)撒鋪和壓實(shí)粉末。

第一個(gè)輥?zhàn)拥脑O(shè)計(jì),，可以抬高和撒鋪粉末,，而壓實(shí)輥具備一個(gè)獨(dú)特的光滑設(shè)計(jì)。

然而,，即使是在ExOne為這項(xiàng)發(fā)明申請(qǐng)專利之后,，該公司仍然花了幾年時(shí)間才在2015年將第一款高致密度粘合劑噴射金屬3D打印機(jī)推向市場(chǎng)。

該系統(tǒng)是專門推給研發(fā)專業(yè)人員的,，ExOne視之為重要的合作伙伴,，他們將進(jìn)一步對(duì)每種材料   進(jìn)行材料開發(fā),。

ExOne獲悉，每種粉末都要求不同的參數(shù),，來(lái)完成分配,，鋪撒和壓實(shí)三個(gè)環(huán)節(jié)，同時(shí)粘合劑液   滴尺寸和形狀以及滲透的潤(rùn)濕時(shí)間也均有不同的設(shè)置–更不用說固化和燒結(jié)時(shí)間了,。

事實(shí)上,，對(duì)于每一種材料，大約有20個(gè)關(guān)鍵的工藝變量需要控制,，其中可能的參數(shù)組合數(shù)量又是無(wú)窮無(wú)盡的！

一旦完成,，它們可能就打包成一個(gè)可以重復(fù)使用的配方,，但是研發(fā)它們又極為費(fèi)時(shí)！�,�,！

除了鋪粉輥之外，ExOne還選擇了富士公司的一種特殊的壓電打印頭,，這種打印頭能夠不斷循環(huán)粘合劑,，并控制液滴形狀和速度，也提供了額外和必要的參數(shù)變量,。

通過Innovent,，ExOne開始成立某些材料和粘合劑噴射動(dòng)力學(xué)方面的專家聯(lián)盟，以幫助構(gòu)建知識(shí)和對(duì)這一工藝的理解,，這對(duì)進(jìn)一步促進(jìn)該技術(shù)成功商業(yè)化是必須滴,！

所以呢，全世界有好多合作小伙伴參與到這項(xiàng)工作中,，很難一一說出它們的名字,，但是圍繞粘合劑噴射并在ScienceDirect上發(fā)表的大量研究，又證明這個(gè)工作是非常成功的,。

最后,，這項(xiàng)工作加深了（并繼續(xù)加深）對(duì)粘合劑噴射的理解，科學(xué)家們渴望為一項(xiàng)對(duì)可持續(xù)發(fā)展有深遠(yuǎn)影響的技術(shù)做出一定的貢獻(xiàn),。

2016年,，ExOne推出了Innovent+和新的鋪粉系統(tǒng)。

這次發(fā)布會(huì)的新聞稿吸引了許多制造業(yè)人士的眼球,，文中說到“ExOne宣布使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的,、小于10微米的金屬和陶瓷粉末進(jìn)行3D打印�,！�

現(xiàn)在三重壓實(shí)技術(shù)Triple ACT系統(tǒng)可以確保整個(gè)工作缸的零件密度變化為0.3%,，以及首次后燒結(jié)尺寸公差控制在1–2.5% 范圍內(nèi)�,。�

由于粘結(jié)劑噴射目前是一個(gè)迭代的優(yōu)化過程,，在2~3次優(yōu)化后,，尺寸公差可以小于1%！

更重要的是,，Triple ACT加快了ExOne對(duì)材料的認(rèn)證,。
△這個(gè)材料為316L的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體證明了粘結(jié)劑噴射技術(shù)目前具備加工能力

新粘結(jié)劑噴射3D打印產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展

Innovent上市后，粘合劑噴射金屬3D打印領(lǐng)域在市場(chǎng)上開始不斷升溫,。

△Digital Metal 粘結(jié)劑噴射金屬3D打印

2017年，Digital Metal正式推出了DM P2500,，Desktop Metal宣布將推出最高端的生產(chǎn)系統(tǒng),。GE在年底宣布，它們將自己生產(chǎn)粘合劑噴射機(jī),。據(jù)一位高管稱,，他們僅僅只研發(fā)了47天。

在2018年,，惠普發(fā)布了金屬粘合劑噴射3D打印系統(tǒng),。最初，這一波新競(jìng)爭(zhēng)的確使ExOne公司感到擔(dān)憂,。

2017年,，該公司的營(yíng)收為5700萬(wàn)美元，全球只有277名全職員工,。盡管它是市場(chǎng)領(lǐng)先者,，但它是個(gè)小公司，“在很長(zhǎng)一段時(shí)間里,，我們沒有對(duì)手,。”Brunermer 解釋道,，“突然出現(xiàn)了四個(gè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手,。”

Lucas也說,，“我感到很緊張,！”

“我的意思是，你想想,，跟GE或者HP甚至DM這樣的財(cái)大氣粗的公司競(jìng)爭(zhēng),，對(duì)于我們這樣的小公司來(lái)說，是不是有點(diǎn)以卵擊石,？我們知道自己是粘合劑噴射技術(shù)的開創(chuàng)者,，向來(lái)處于領(lǐng)先地位,，但是我們能夠一直保持這種優(yōu)勢(shì)嗎？我們能夠維持這種領(lǐng)先地位嗎,？坦白講,，我們一直在拼搏、在努力,、在奮斗,！我們一直都在研究技術(shù)！

△ExOne  John Hartner

大約與此同時(shí),，ExOne迎來(lái)了一位經(jīng)驗(yàn)頗豐的增材制造和技術(shù)領(lǐng)域的行家 John Hartner, 擔(dān)任公司的首席運(yùn)營(yíng)官,！

自從2019年擔(dān)任CEO以來(lái), Hartner發(fā)現(xiàn)自己也遇到了著類似的情況。他講究敦本務(wù)實(shí),，也就是說他著眼于事實(shí),，并尋求讓ExOne更快發(fā)展的方法。

他回憶說:“有很多很好的基礎(chǔ)技術(shù),，盡管有人懷疑,，認(rèn)為這些所謂的技術(shù)可能造假，也許根本不 存在,，因?yàn)槭聦?shí)沒有擺在眼前,。”

“我試圖鼓勵(lì)大家關(guān)注事實(shí),，關(guān)注客戶的看法,。我們還決定加快推出產(chǎn)品的速度�,！�

Hartner明確使用了兩種方法,，第一種就是將產(chǎn)品線模塊化來(lái)加速機(jī)器的發(fā)布，第二種就是心無(wú) 旁騖的專注于滿足客戶需求,。

事實(shí)上,，ExOne將S-Print®砂型增材制造機(jī)的平臺(tái)用于公司的第十款新的金屬增材制造機(jī)X1 160Pro，并且InnoventPro使用了與X1 25Pro®相同的打印頭

△ExOne的匹茲堡工廠正在生產(chǎn)粘合劑噴射3D打印機(jī)

另外一個(gè)好處是,，這種方式使客戶能夠按照生產(chǎn)規(guī)模輕松的從一個(gè)系統(tǒng)直接切換到另外一個(gè)系統(tǒng),！

隨著ExOne的發(fā)展越來(lái)越快，它還開始考量競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)(吸取對(duì)方的優(yōu)點(diǎn),，取長(zhǎng)補(bǔ)短）,，并留意別人的一些技術(shù)決策，這些舉措務(wù)必將助攻ExOne立于不敗之地,，甚至?xí)�幫助放大一種積極情緒,，就是公司內(nèi)部上下對(duì)其在同行中保持領(lǐng)先地位持樂觀態(tài)度。

一個(gè)示例就是Desktop Metal的“單通道噴射”，也就是掃一次粉床,，完成鋪粉和噴射粘接劑,。

相比之下，ExOne會(huì)先使用其Triple ACT系統(tǒng)加熱并鋪撒粉末,，然后再噴射粘合劑,，這是獨(dú)立的功能（并沒有像DM那樣將幾個(gè)動(dòng)作集成在一起）。

對(duì)于一些新手小白客戶來(lái)說呢,，僅僅掃一次粉床就完成一個(gè)截面的打印,，似乎好像看起來(lái)更快，更有效率呢,！

但是,，憑借混跡江湖多年的經(jīng)驗(yàn)，Lucas 和 Brunermer從來(lái)都沒那樣想過,！即使在系統(tǒng)宣布數(shù)年之后也是如此,，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為這挑戰(zhàn)了生產(chǎn)高質(zhì)量零件的能力。

盧卡斯解釋說：“幾年前我們故意沒有這樣做,。” “它限制了離散功能之間的時(shí)序,。當(dāng)你那樣操作時(shí),，旋鈕就不轉(zhuǎn)了！可調(diào)性有限哦,！”

Brunermer補(bǔ)充說：“在單通道系統(tǒng)中將所有功能捆綁在一起時(shí),，一切都必須以相同的速度進(jìn)行。 ”

能夠控制鋪粉,、加熱和粘合劑之間的延遲這是最好不過的,！ 即使只有半秒鐘，也需要粘合劑沉浸進(jìn)去,！產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)需要一定時(shí)間,，而且這里真正發(fā)揮作用的是物理學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)！


△惠普粘合劑噴射金屬3D打印機(jī)

HP在噴射和鋪粉這兩個(gè)動(dòng)作上并沒有采用單通道,！那就是說,，HP確實(shí)使用的是熱發(fā)泡式打印頭，這也是平面打印機(jī)制造商的專長(zhǎng),！

△熱發(fā)泡式3D打印

熱發(fā)泡式打印頭比較便宜,，但也不太牢固，并且還需要水基粘合劑,。該噴頭的工作原理是將水基型的墨水或粘合劑加熱到一定的溫度,，產(chǎn)生精確的氣泡和液滴來(lái)實(shí)現(xiàn)功能。

在ExOne看來(lái)，熱發(fā)泡式打印頭是可以處理一些材料,，但是由于水引起的氧化,，以及一些材料的難度挑戰(zhàn)，這些打印頭被替換的頻率很高,，并且處理各種金屬的能力有限,！

如今，競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)重新引導(dǎo)ExOne尋求更好的合作和服務(wù)客戶的動(dòng)力,！

Brunermer表示,，“這對(duì)于ExOne來(lái)說也許是一件好事情呢！”

面對(duì)日益加劇的競(jìng)爭(zhēng),，ExOne比以往任何時(shí)候都要雷厲風(fēng)行,，2019年推出了X1 25Pro，領(lǐng)先于新的競(jìng)爭(zhēng)型生產(chǎn)系統(tǒng),！

現(xiàn)在25Pro已經(jīng)投放市場(chǎng)很多年了,，已被Sandvik以及其他全球性公司成功使用！

新機(jī)器的交叉采購(gòu)?fù)苿?dòng)人們對(duì)ExOne的興趣達(dá)到了前所未有的高度,，在Exone,，粘合劑噴射金   屬機(jī)隨時(shí)隨地都可以買到！

Hartner說道“我們相信今年務(wù)必會(huì)是粘合劑噴射增材制造的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),！”
△在17-4PH條件下增材制造的齒輪組件

粘合劑噴射3D打印技術(shù)的材料靈活性

面對(duì)新的市場(chǎng)格局,，ExOne制定了雄心勃勃的計(jì)劃！大多數(shù)參與競(jìng)爭(zhēng)的粘合劑噴射3D打印機(jī)將會(huì)在2021年上市,，這些機(jī)器打印不銹鋼,，但是預(yù)計(jì)會(huì)有更多的材料緊隨其后！

ExOne粘合劑金屬噴射系統(tǒng)現(xiàn)在可處理11種單合金金屬,，差不多是競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的2倍�,。∵@些金屬包括17-4PH, 304L和316L不銹鋼, M2模具鋼, 鉻鎳鐵合金718, 鈷鉻,銅, H13 模具鋼, 鉻鎳鐵合金625, 鈦鎢重合金,。


現(xiàn)在甚至有更多的陶瓷和陶瓷金屬粉末已經(jīng)被客戶成功的使用了,！

鋁在ExOne具備研發(fā)資格，并已經(jīng)快速獲得ExOne的最高第三方資質(zhì)狀態(tài),，預(yù)計(jì)在2021年獲得,！

同樣ExOne也一直引領(lǐng)著創(chuàng)新粘合劑的發(fā)展！比如一些新的粘合劑,，CleanFuse™和NanoFuse™讓ExOne處于毋庸置疑的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),，其中包括了用于碳敏感的清潔燃燒粘合劑、改善了燒結(jié)動(dòng)力學(xué),，以及還有很多尚待公布的特性,！

繼往開來(lái) 繼續(xù)拼搏

△ExOne展位視頻拍攝

除了增材制造技術(shù)本身，ExOne還在與全球公司合作，開發(fā)粘合劑噴射3D打印大批量生產(chǎn)的工藝,，而這一工藝的成功將會(huì)讓Larry Rhoades含笑九泉,！

先進(jìn)的新型輔助設(shè)備即將問世，同時(shí)還配有連接機(jī)器的智能技術(shù),，實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0性能指日可待,！

如今，ExOne充滿活力,、生機(jī)勃勃,！

Lucas 說道�,！斑@就像你在和某人打架,，雖然目前你是處于弱勢(shì)的一方！打到第七,，第八回合,， 我開始相信我能贏了。這是一樣的道理啦,！”

“因?yàn)槲覀內(nèi)〉昧顺晒�,，人們開始相信我們會(huì)贏�,！�

Hartner表示:“在過去的幾年里,，最讓我感到驕傲的是我們開始展開與客戶的通力合作以及提供   服務(wù)的專注精神！

“我們看到越來(lái)越多的客戶在研究我們的技術(shù)如何為他們的業(yè)務(wù)來(lái)提供幫助,，比如說生產(chǎn)輕量級(jí)   零件，或者更高性能的零件,，甚至是如何分散他們的供應(yīng)鏈,！

整個(gè)行業(yè)都在蓬勃發(fā)展，雖然Exone和粘合劑噴射技術(shù)還相對(duì)處于發(fā)展期,，但是那個(gè)能夠在早期就播下和培育種子的公司,！


作者：Sarah A Webster 美國(guó)賓夕法尼亞州北亨廷頓ExOne公司的首席市場(chǎng)官

本文特別感謝易制科技（中國(guó)粘結(jié)劑噴射3D打印的領(lǐng)先廠商）的翻譯

References
[1]Massachusetts Institute of Technology and The ExOne Company, LLC, Amended & Restated
Exclusive Patent License Agreement, www.sec.gov/ Archives/edgar/data/1561627/000119312513022189/ d461168dex100101.htm, accessed 3rd March 2021
[2]Licensees of 3D Printing Technology, http://web.mit. edu/tdp/www/licensees.html, accessed 3rd March 2021
[3]Lawrence J Rhoades, The Transformation of Manufacturing in the 21st Century, in Celebrating Manufacturing Technology, March 2005, www.nae.edu/7600/ TheTransformationofManufacturinginthe21stCentury

參考
[1]麻省理工學(xué)院和ExOne，LLC,，修正和重申過的獨(dú)家專利許可協(xié)議[2]3D打印技術(shù)授權(quán)商
[3]Lawrence J Rhoades