粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)潛力巨大,，入行請(qǐng)看這些產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)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(yīng)商,，做起來(lái)沒啥頭緒,。”


2023年8月,，南極熊拜訪了國(guó)內(nèi)粘結(jié)劑噴射3D打印主控板廠商——上海融躍科技,，主營(yíng)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(duì)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(fù)責(zé)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(lái)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的個(gè)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(guó)外,，國(guó)內(nèi)對(duì)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(huì)找不到合適的上游零配件產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)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(yīng)用,，南極熊匯總了國(guó)內(nèi)外粘結(jié)劑3D打印的產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)商資源,，希望能夠推動(dòng)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(jiǎn)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(guò)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(shí)體零件初坯,，隨后將打印的初坯置于均勻的熱環(huán)境中進(jìn)行脫脂和燒結(jié)，使其致密化并獲得機(jī)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(wú)需支撐結(jié)構(gòu)等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),。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(qiáng)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(gè)液滴順暢的通過(guò)成千上萬(wàn)個(gè)直徑微米級(jí)的小孔,，并且穩(wěn)定、高速的實(shí)現(xiàn)圖像打印,。同時(shí),，粘結(jié)劑又需要有足夠的粘結(jié)強(qiáng)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(zhǎng)的保質(zhì)期和無(wú)環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。



△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(jī)和無(wú)機(jī)粘結(jié)劑2種類型,。

無(wú)機(jī)粘結(jié)劑的粘接強(qiáng)度相對(duì)較高,，但是高溫?zé)�結(jié)時(shí)的殘余很難去除，因此在選擇無(wú)機(jī)粘接劑時(shí)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(jī)粘接劑的主要元素為碳、氫,、氧,，燒結(jié)后的殘余相對(duì)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(lái)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(huì)損壞噴頭,。溶劑型粘接劑是使用有機(jī)溶劑來(lái)溶解稀釋粘接劑,，有機(jī)溶劑的排放有嚴(yán)格規(guī)定，需要采用溶劑型噴頭來(lái)噴射粘接劑,，如果采用水性噴頭來(lái)噴射溶劑型粘接劑,，通常也會(huì)損壞噴頭。
粘接劑的粘接原理可以是化學(xué)反應(yīng)固化粘接,、析出粘接和重結(jié)晶粘接,�,；瘜W(xué)反應(yīng)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(xué)反應(yīng),，生成高強(qiáng)度高分子材料來(lái)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(lái)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(guò)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(duì)自己的客戶銷售，造成目前市場(chǎng)上可采購(gòu)的商業(yè)化的粘接劑很少,，長(zhǎng)沙墨科瑞可能是目前中國(guó)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(zhǎng)時(shí)間大量的實(shí)驗(yàn)，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(qiáng)度,，同時(shí)不同的墨水混用很容易造成噴頭堵塞，就是說(shuō)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(chǎng)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(yuǎn)。


粘結(jié)劑廠商包括

長(zhǎng)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�?lái)BJAM發(fā)展的一個(gè)主要方向，因?yàn)樾碌乃�性環(huán)保墨水具有極低的殘?zhí)剂�,，適合于對(duì)碳元素敏感的金屬材料的批量化生產(chǎn),；
• 高強(qiáng)度自清潔墨水
  

三帝科技：


（粘接劑沒有所謂的高精度之說(shuō)，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(guò)自主科研團(tuán)隊(duì)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(jìn)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(jī)溶劑粘結(jié)劑,，并具備粘結(jié)劑配方的自主設(shè)計(jì)能力,，能夠滿足用戶新材料、新應(yīng)用對(duì)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(guó)外行業(yè)巨頭為主,，為進(jìn)一步加強(qiáng)技術(shù)自主能力,，避免“卡脖子”技術(shù)壁壘，國(guó)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(guó)外壓電式噴墨頭的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。


△目前粘結(jié)劑3D打印機(jī)中常用的幾種噴頭

目前壓電噴頭的國(guó)產(chǎn)化仍然十分困難,，因?yàn)榇蛴〖夹g(shù)涉及眾多難點(diǎn),，包括：多學(xué)科領(lǐng)域、精密微機(jī)械加工,、眾多生產(chǎn)級(jí)測(cè)試設(shè)備需自主研發(fā)以及國(guó)外噴頭技術(shù)的壟斷,。國(guó)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(rùn)聯(lián)創(chuàng)兩家公司,，大部分BJ打印樣機(jī)生產(chǎn)廠商會(huì)采用進(jìn)口 + 國(guó)產(chǎn)的方式配備產(chǎn)品,。目前主流的BJ技術(shù)應(yīng)用噴頭是： FUJIFILM Dimatix（北極星，美國(guó)）、XAAR（賽爾,，英國(guó)）,、RICOH(理光，日本),、Kyocera(京瓷,，日本)、Epson(愛普生,，日本),、。噴頭的性能指標(biāo)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(diǎn)火頻率、噴嘴寬度,，粘度范圍,、表張范圍、適應(yīng)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(jī)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(biāo),。BJ打印控制系統(tǒng)作為噴墨打印機(jī)的核心模塊,，直接影響著BJ打印機(jī)的打印質(zhì)量和打印速度。當(dāng)BJ打印機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)該BJ打印頭的驅(qū)動(dòng),。

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(shuō)他們只銷售噴頭,；噴頭廠家把噴頭的驅(qū)動(dòng)技術(shù)開放給專業(yè)的做噴頭控制系統(tǒng)的公司,，國(guó)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(dòng)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(yīng)商。

在國(guó)內(nèi)噴頭控制系統(tǒng)供應(yīng)商進(jìn)入BJ領(lǐng)域之前,，確實(shí)是國(guó)外的BJ控制系統(tǒng)廠家占有絕大部分市場(chǎng),，但是經(jīng)過(guò)近十年國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，目前國(guó)內(nèi)的BJ打印廠商95%以上已經(jīng)用上了國(guó)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(diǎn)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(diǎn)陣數(shù)據(jù)，而要打印的3D模型是基于坐標(biāo)的矢量數(shù)據(jù),，三維CAD模型進(jìn)行切片后,，必需將切片數(shù)據(jù)進(jìn)行位圖繪圖得到點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，才能發(fā)給打印機(jī)進(jìn)行打印,。因此對(duì)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)算機(jī)制作版面中的各類圖像,、圖形和文字等解釋運(yùn)算,、轉(zhuǎn)變成可供打印設(shè)備接收并控制機(jī)器打印輸出的光柵點(diǎn)陣數(shù)據(jù)。

由于RIP軟件算法非常復(fù)雜,，傳統(tǒng)的噴頭控制系統(tǒng)供應(yīng)商通常都不做RIP算法,，數(shù)碼噴繪行業(yè)的RIP軟件供應(yīng)商也很少，主要有武漢蒙泰,、深圳漢森等,。因此在國(guó)內(nèi)剛發(fā)展BJ技術(shù)做砂型打印時(shí)，通常由控制系統(tǒng)供應(yīng)商提供一個(gè)簡(jiǎn)單的RIP算法,，由于砂型打印的精度要求不高,，這個(gè)簡(jiǎn)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(jiǎn)單的RIP算法,，就會(huì)造成數(shù)據(jù)處理耗時(shí)長(zhǎng)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(yīng)商或控制系統(tǒng)供應(yīng)商根據(jù)BJ打印技術(shù)的特點(diǎn)來(lái)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(guó)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(yīng)用正逐漸形成一種強(qiáng)勁的趨勢(shì),，國(guó)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(chǎng)潛力，積極探索并推出了應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)的粘結(jié)劑噴射3D打印設(shè)備,，以實(shí)現(xiàn)原型設(shè)計(jì),、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(guó)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(gòu)）,、voxeljet、Digital Metal（已被Markforged收購(gòu)）,、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(chǎng)前景,，紛紛向市場(chǎng)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(jī)Metal Jet,，已成功應(yīng)用多家制造企業(yè),，將工作效率提升高達(dá)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)模化制造能力,，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(guó)內(nèi),，盡管粘結(jié)劑噴射技術(shù)起步較晚，但我國(guó)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(yīng)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(guó)內(nèi)公司通過(guò)自主研發(fā)設(shè)備,，成功實(shí)現(xiàn)了粘結(jié)劑噴射在砂型打印中的應(yīng)用，并進(jìn)一步,，通過(guò)將該技術(shù)應(yīng)用于金屬3D 打印,，實(shí)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(guó)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(shí)現(xiàn)對(duì)個(gè)別類型的陶瓷粉末的 3D 打印,，但專門針對(duì)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