粘结剂喷射技术的产业链市场分析

时间：2023-08-15 21:27 来源：南极熊作者：admin 阅读：次

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，南极熊分析了国内外粘结剂3D打印的产业链市场，希望能够共同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技术具有低成本、材料体系广泛、表面质量良好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，粘结剂必须是可打印的，只有粘结剂具有合适的粘度，才能保证形成单个液滴并从喷头的喷嘴中脱落。同时，粘结剂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：有机粘结剂通过固化粘结粉末，而无机粘结剂通过胶体凝胶形成粘合。粘结剂也可分为酸碱粘结剂、金属盐粘结剂和溶剂粘结剂。酸碱粘结剂通过酸碱化学反应使粉末粘合，金属盐粘结剂通过盐的重结晶、盐结晶减少或者盐置换反应形成粉末间的粘结。

溶剂粘结剂主要作用于聚合物粉末，可以溶解沉积区域并在溶剂蒸发后形成特定的结构。此外，基于不同的结合机理，存在粉末床粘结剂、相变粘结剂和烧结抑制粘结剂。粉末床粘结剂由于来自不同于一般的液态粘结剂，所以大部分粘结剂与粉末床混合后会通过喷嘴喷射液体与粉末作用产生粘结。相变粘结剂通过粘结剂的固化将粉末结合在一起，而烧结抑制粘结剂可以通过选择性喷射隔热材料控制烧结面积。粘结剂类别、可用材料及优缺点见下表。

△粘结剂类别、可用材料及优缺点

目前用于BJAM技术的成熟粘结剂相对较少，还存在易堵塞、强度低、难脱除等突出问题，并且大多数粘结剂并不能适用于多种粉末打印。另外，现有粘结剂大多是有机聚合物，脱脂后的残留物对打印零件的性能造成了明显的不利影响。因此，开发适合多类型打印的抗堵塞、强度高、易脱除甚至是无需脱除的新型粘结剂对推动 BJAM 技术的进步与应用至关重要！例如长沙墨科瑞于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。

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杭州爱司凯、北京奥润联创和宁夏共享装备这三家公司，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。进口喷头主要来自于 FUJIFILM Dimatix（北极星，美国）、XAAR（赛尔，英国）、Konica（柯尼卡，日本）以及 SPT（精工，日本）四家制造商。喷头的性能指标主要包括：墨滴大小、喷孔数量、喷头精度、打印精度、打印速度、喷射频率、喷嘴宽度，使用寿命等。

△常见国产喷头的主要性能参数

三、控制系统

在衡量BJ打印机的工作性能中，打印质量和打印速度是的重要指标。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BJ打印产业链中，目前处于产业链的上游的喷头制造厂商包括FUJIFILM Dimatix（富士星光）、Xaar（塞尔）、KYOCERA（京瓷）和KONICA MINOLTA（柯尼卡美能达）等都为国外企业。现如今，最新的BJ打印喷头、喷头驱动控制技术、高精度伺服电机控制技术等核心技术都掌握在上述的国外喷头制造厂商，BJ打印控制系统也由喷头制造厂商为BJ打印设备专门设计，然后销售给提供打印服务的厂商，获取了BJ打印领域的大部分利润。而国内BJ打印的厂商只能依赖进口得到喷头以及核心零部件和核心技术，这严重制约了我国的BJ打印行业的发展。

四、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、雷佳等代表性厂商。

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。

(责任编辑：admin)

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