粘結劑噴射3D打印技術（binder jetting）是由麻省理工的Ely Sachs與Mike Cima在1993年研發的，該技術在噴墨打印機基礎上，衍變為將粘結劑噴射到塑料粉末床上。然而，很快這種粘結塑料粉末的技術就不流行了，取而代之的是粘結砂子和金屬。
粘結劑噴射3D打印技術具有工業級效率、速度快、設備成本低、無需額外支撐等特點，再加上允許大尺寸打印、多材料打印（砂子、PMMA材料、金屬材料）適應於批量生產的特點，使其成為投資者在3D打印領域投資的熱門技術。IDTechEx預測到2025年將會有37,000臺粘結劑噴射設備，這意味著粘結劑噴射3D打印技術將迎來新的發展。
本期谷.專欄文章中，作者從製造原理入手，分析了粘結劑噴射3D打印技術的特點，目前已經投入該技術設備研發的代表性企業及其他們的技術發展情況。
Desktop Metal 粘結劑噴射3D打印展示
技術原理
粘結劑噴射3D打印技術的原理是通過材料噴射和燒結工藝的相互結合來生產密度金屬零部件。
粘結劑噴射技術3D打印原理
關鍵點1粘結劑是質量關鍵。在噴射階段，粘結劑對不同粉末材料粘結的穩定性和後期燒結工藝是否收縮變形起到了至關重要的作用。可以說粘結劑的化學技術就是粘結劑噴射金屬3D打印技術的關鍵核心。
關鍵點2多噴頭提升打印速度。由於其是多噴頭噴射粘結劑的特點，相對於目前市場上流行的單噴頭的激光相關的3D打印技術而言，其製造速度是後者的數百倍，效率大大提升。
關鍵點3使用材料範圍廣。由於使用粘結的方式，打印時不需要加熱，後期燒結去除粘結劑時才涉及溫度變化。對材料要求的降低，在理論上使得該技術適合於很多不同的材料的打印。
關鍵點4 燒結工藝。燒結工藝是保證質量的關鍵之一，工藝過程要有效去除粘結劑，同時保證形態不發生改變，這與材料的熱處理工藝息息相關。
關鍵點5粉末支撐。粘結劑噴射技術在打印環節沒有溫度變化，材料內應力小，可以依靠粉末實現自支撐，不需要額外的支撐設計，實現材料的100%利用和一次多量打印，這點是有別於其他增材製造方法的核心之一。同時粉末在完成一次打印後，沒有溫度變化引起的粉末粘合，不需要清理和篩分，可直接回收利用，這點是有別於其他增材製造方法的核心之一。
關鍵點6環境要求低。粘結劑噴射技術在打印環節沒有溫度變化和化學變化，金屬粉末不會因為高溫而氧化，所以普通打印環境就可以持續打印，這大大降低了設備的設計要求。
綜合以上6點，這項技術才具有了：高效率，低成本，適合批量化生產的特點。但是由於粘結劑化學技術還不是非常成熟，加之材料的粉末質量問題，這項技術所製造出的產品精度目前還不能與激光相關3D打印技術相媲美。
市場盤點
當前在粘結劑噴射3D打印技術方面發展的代表企業包括：voxeljet-維捷、Digital Metal、GE 、惠普(HP) 、 Desktop Metal 。筆者在這裡對這些企業的基本情況和在該技術方面的研發與應用情況做了梳理。
voxeljet-維捷
voxeljet-維捷是全球領先工業級3D打印系統製造商之一，可實現產品的無模化生產。
維捷在3D打印砂芯製造應用方面積累有著自己豐厚的經驗與市場運用。在德國、美國、英國、印度和中國均有自己的分支機構，其VX200-4000系列5種粘結劑噴射3D打印設備，包含了從實驗室級別到4米級目前世界最大的噴射成型技術3D打印機，形成系列化的產品，設備應用領域廣泛。
以voxeljet-維捷的VX4000設備分析，打印頭具有超過25000個可單獨控制的噴嘴和1100毫米的打印寬度，打印機的打印速度可達每小時120升。在航空航天部件等許多應用中，現在可以使用粘結劑噴射技術與金屬鑄造相結合的方式，經濟地構建幾乎任何尺寸的零件：例如大型機械結構框架，以及車輛核心零部件：泵體、閥體、排氣歧管、殼體、以及能源行業的閉式葉輪。這些是與複雜、大尺寸、高精度、難加工緊密聯繫的技術高地。
Digital Metal
Digital Metal 是瑞典金屬粉末製造商 Höganäs集團公司旗下的企業，Digital Metal推出了粘結劑噴射技術的金屬增材製造設備：DMP 2500。這款機器使用金屬粉末，能進行連續生產。
打印速度高達100立方厘米/小時，打印層厚為42微米。它有一個較大的構建體積，為2500立方厘米，單次可以打印多達50000個的零件。DM P2500的其他技術規格包括：35分微米的XY分辨率，處理前的平均表面粗糙度為Ra6微米。這些數字意味著打印機可以生產出“具有醫療級平滑度的複雜結構”，即使打印件的尺寸很小。DMP 2500能處理幾種材料，因為打印後還會進行燒結。使用粘結劑為環氧樹脂，由噴嘴根據部件的幾何形狀精確地噴射粘合劑，層層粘結材料，該過程一直持續到零件完成。整個打印過程以受控的方式進行。最後，在燒結爐中將粘結劑燒掉以獲得純粹的金屬零件。
DMP2500 打印的實物
Digital Metal迄今已有三種材料包括316L和17-4PH不鏽鋼，以及Ti6Al4V鈦合金。正在驗證其他材料，將來會有更多的材料被納入進來，包括銀和金，因為粘接劑非常適合珠寶製造。
目前的訂單中最大的有每年大約30000個零件，較小批次有3000至3500個零件的製作需求。其中包括瑞士製表廠Montfort Watches，通過粘結劑噴射3D打印技術製作不鏽鋼錶盤。
GE
GE增材製造於2017年底宣佈進入粘結劑噴射金屬3D打印領域，並推出了“H1”原型機。其構建體積為：300 x 300 x 350 mm 。仍有一款構建體積為原型設備2-3倍的設備目前正在研發中。原型設備的打印速度為40立方英寸（655立方厘米）/小時。
在GE的粘結劑噴射技術的應用推廣方面，GE 增材製造的總經理Ehteshami 表示，每年僅是GE內部就會消耗大量的金屬鑄件。傳統的金屬鑄造工藝週期長，模具製造成本高，很多情況下不能滿足製造業產品快速迭代的需求以及控制成本的需求。這個情況在航空航天行業和汽車製造行業尤為突出。所以，這兩個行業對於引進可以提高生產效率的新技術也最為積極。
GE H2
在整個2018年，GE開發了第二代H2粘結劑噴射金屬3D打印設備，並開始與眾多戰略合作伙伴和主要客戶合作，通過測試計劃以快速促進其技術的商業化進程。 美國西屋制動-Wabtec Corporation是一家全球鐵路和運輸行業製造商，已投資GE增材製造的H2粘結噴射技術，以擴大其在運輸行業不斷增長的應用需求，並建立其增材製造戰略。
HP
惠普作為著名的打印機(平面印刷) 製造商擁有非常成熟的噴墨噴嘴技術，其多射流熔融塑料3D打印工藝也是在此基礎上形成的。如今，惠普再次發揮了在噴墨噴嘴領域的技術優勢，研發了基於噴射技術的金屬3D打印技術。
HP Metal Jet 3D打印技術主要流程如下：
- 使用噴嘴選擇性地將粘合劑噴射到打印層中；
- 添加新的粉末層，並重復以上流程，直到創建完成整個零件；
- 從粉末中取出零件並晾乾；
- 將零件放入燒結爐中，使金屬顆粒熔融在一起。
在打印過程中沒有金屬融合的步驟，金屬粉末材料的燒結是打印完成之後在燒結爐中完成的。惠普公司稱，通過這一技術製造的金屬零件表面粗造度在Ra 4-7 。
HP Metal Jet Fusion 工藝
目前，HP正在與合作伙伴GKN 共同優化面向零件批量生產的粘結劑噴射完整增材製造價值鏈。
Desktop Metal
通過Desktop Metal生產系統採用專有的單通道噴射（SPJ）技術。2017年7月16日，Desktop Metal宣佈完成1.15億美元的D輪融資項目，以進一步加速公司成長和推進其端到端的金屬增材製造系統。這使得Desktop Metal的融資從2015年10月開始總共達到2.12億美元，從而晉升為投資界的又一獨角獸企業。在2019年初，Desktop Metal 又獲得了1.6億美元的Corporate輪融資,總融資金額達4.38億美元。
Desktop Metal 打印樣件
有趣的是GE投資了Desktop Metal，其原因是GE看到通過Desktop Metal的設備，工程師有很大的潛力重新思考零件和產品的設計與製造方式。
綜合以上情況，筆者以一張表總結一下目前市場上代表性的粘結劑噴射3D打印技術：
材料及完整製造工藝推動應用發展
隨著技術的進步和市場的競爭，粘結劑噴射技術將持續發展，給市場創造新的價值。在金屬3D打印領域，福特和大眾汽車已經開始使用粘結劑噴射金屬3D打印技術開展零件的小批量生產。
然而作為汽車製造中大量使用的鋁合金材料，一直以來難以搭上粘結劑噴射技術的順風船，以更低的成本和更高的效率實現汽車零部件增材製造。主要原因是粘結劑噴射3D打印工藝在完成打印後需要進行燒結後處理，在此過程中易導致鋁合金燃燒，這是粘結劑噴射3D打印進行鋁合金加工的一大挑戰。
材料科學企業Equispheres 開發了一種適用於粘結劑噴射3D打印的新型鋁合金粉末。Equispheres 與加拿大麥吉爾大學合作對AlSi10Mg鋁合金粉末進行了測試，觀察到 Equispheres標準AlSi10Mg鋁合金粉末具有無壓縮、亞固相燒結，以及具有良好的緻密化（優於95％）和優異的微觀結構等特點，該材料能夠適用粘結劑噴射3D打印及其後處理中的燒結過程。
從這個角度來看，可用於粘結劑噴射技術的鋁合金粉末則為該技術的應用打開了新空間。但粘結劑噴射3D打印鋁合金的機械性能與硬度能否滿足汽車零部件製造領域的要求，還需要拿事實說話。
在筆者看來，AlSi10Mg壓鑄鋁合金等在傳統制造領域得到普遍應用的材料，將引起粘結劑噴射金屬3D打印設備企業的興趣，首先在零件的小批量、無模具快速生產方面為粘結劑噴射金屬3D打印技術迎來更多應用空間。長期來看，包括材料、面向該工藝的增材製造設計、打印工藝、粉末清除工藝，以及打印完成後的燒結工藝在內的完整粘結劑噴射增材製造工藝，將使得該技術逐漸融入到零部件的量產領域。
《美國西屋制動投資GE粘結劑噴射技術，用於鐵路應用》
《粘結劑噴射鋁合金材料是否將加速汽車製造業應用3D打印技術？》
《金屬3D打印：激光熔化與噴射技術 – 優點和侷限》
《Insights l 3D打印進入主流製造技術的最新狀態 -下篇》
《挖掘小型零件批量生產能力，粘結劑噴射技術在汽車零件製造中的應用》
《惠普發佈金屬3D打印機，旨在用於批量生產》
《產業鏈的融合，粉末製造商瑞典Höganäs推出金屬3D打印設備》
林傳春
在3D打印行業從業多年，一直在3D打印技術方面以DfAM的設計思維做實踐運用。立志推廣3D打印技術的運用，希望讓更多人感受到3D打印帶給人們的價值。
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