粘結劑噴射技術的產業鏈市場分析
時間：2023-08-15 21:27 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
作為一種很有前途的3D打印技術，粘結劑噴射技術可以選擇性地將粘結劑噴射到粉末上，使顆粒之間形成粘結，實現產品的個性化、快速原型制作，甚至大批量制造終端零件。但是相比于國外，國內對于粘結劑噴射技術的研究開展較晚，南極熊分析了國內外粘結劑3D打印的產業鏈市場，希望能夠共同推動粘結劑噴射技術的發展！
粘結劑噴射增材制造（Binder Jetting Additive Manufacturing，簡稱BJAM）技術是一種常見的金屬3D打印技術。該技術基于粉末床工藝，通過噴墨打印頭逐層噴射粘結劑選區沉積在粉末床上，粘結打印三維實體零件初坯，隨后將打印的初坯置于均勻的熱環境中進行脫脂和燒結，使其致密化并獲得機械性能良好的零件。
一、粘結劑體系
BJAM技術具有低成本、材料體系廣泛、表面質量良好和無需支撐結構等獨特優點。影響BJAM打印金屬零件質量的因素可分為材料和工藝。材料因素包括粉末和粘結劑特性，粉末特性決定粉末床質量、初坯密度和致密化效果，初坯的幾何形狀和強度受到粘結劑的影響。
選擇合理的粘結劑是BJAM技術的關鍵之一。首先，粘結劑必須是可打印的，只有粘結劑具有合適的粘度，才能保證形成單個液滴并從噴頭的噴嘴中脫落。同時，粘結劑需要有足夠的粘結強度才能保證打印的初坯結構完整。此外，還需要有良好的粘結劑—粉末相互作用、清潔燃燒特性及較長的保質期和無環境污染風險。
△粘結劑噴射中粘結劑—粉末相互作用
用于 BJAM 技術的粘結劑可分為有機和無機粘結劑2種類型：有機粘結劑通過固化粘結粉末，而無機粘結劑通過膠體凝膠形成粘合。粘結劑也可分為酸堿粘結劑、金屬鹽粘結劑和溶劑粘結劑。酸堿粘結劑通過酸堿化學反應使粉末粘合，金屬鹽粘結劑通過鹽的重結晶、鹽結晶減少或者鹽置換反應形成粉末間的粘結。
溶劑粘結劑主要作用于聚合物粉末，可以溶解沉積區域并在溶劑蒸發后形成特定的結構。此外，基于不同的結合機理，存在粉末床粘結劑、相變粘結劑和燒結抑制粘結劑。粉末床粘結劑由于來自不同于一般的液態粘結劑，所以大部分粘結劑與粉末床混合后會通過噴嘴噴射液體與粉末作用產生粘結。相變粘結劑通過粘結劑的固化將粉末結合在一起，而燒結抑制粘結劑可以通過選擇性噴射隔熱材料控制燒結面積。粘結劑類別、可用材料及優缺點見下表。
△粘結劑類別、可用材料及優缺點
目前用于BJAM技術的成熟粘結劑相對較少，還存在易堵塞、強度低、難脫除等突出問題，并且大多數粘結劑并不能適用于多種粉末打印。另外，現有粘結劑大多是有機聚合物，脫脂后的殘留物對打印零件的性能造成了明顯的不利影響。因此，開發適合多類型打印的抗堵塞、強度高、易脫除甚至是無需脫除的新型粘結劑對推動 BJAM 技術的進步與應用至關重要！例如長沙墨科瑞于2021年5月推出環保水性粘結劑；2022年3月，他們研發成功第二代零殘留水性粘結劑，適合金屬、陶瓷粉末的BJAM工藝。低殘碳水性墨水是未來BJAM發展的一個主要方向，因為新的水性環保墨水具有極低的殘碳量，適合于對碳元素敏感的金屬材料的批量化生產。
二、BJ打印頭
△打印噴頭
噴頭是粘結劑噴射技術的關鍵結構件。按原理不同，可分為連續式按需式兩種。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劑，可以一次性快速成型較高尺寸和形狀精度的構件，因此成為了BJ打印的主流技術。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。壓電式噴墨頭技術仍以國外行業巨頭為主，為進一步加強技術自主能力，避免“卡脖子”技術壁壘，國內院校企業開展了一系列的研
發，主要關注于壓電式噴墨頭，在國外壓電式噴墨頭的基礎上設計相應的控制系統。
目前壓電噴頭的國產化仍然十分困難，因為打印技術涉及眾多難點，包括：多學科領域、精密微機械加工、眾多生產級測試設備需自主研發以及國外噴頭技術的壟斷。國內可自主研發生產壓電式噴頭的公司主要有杭州愛司凱、北京奧潤聯創和寧夏共享裝備這三家公司，大部分BJ打印樣機生產廠商會采用進口 + 國產的方式配備產品。進口噴頭主要來自于 FUJIFILM Dimatix（北極星，美國）、XAAR（賽爾，英國）、Konica（柯尼卡，日本）以及 SPT（精工，日本）四家制造商。噴頭的性能指標主要包括：墨滴大小、噴孔數量、噴頭精度、打印精度、打印速度、噴射頻率、噴嘴寬度，使用壽命等。
△常見國產噴頭的主要性能參數
三、控制系統
在衡量BJ打印機的工作性能中，打印質量和打印速度是的重要指標。BJ打印控制系統作為噴墨打印機的核心模塊，直接影響著BJ打印機的打印質量和打印速度。當BJ打印機確定了所使用的BJ打印頭后，則需要開發適配該BJ打印頭的BJ打印控制系統，實現對該BJ打印頭的驅動。
在BJ打印產業鏈中，目前處于產業鏈的上游的噴頭制造廠商包括FUJIFILM Dimatix（富士星光）、Xaar（塞爾）、KYOCERA（京瓷）和KONICA MINOLTA（柯尼卡美能達）等都為國外企業。現如今，最新的BJ打印噴頭、噴頭驅動控制技術、高精度伺服電機控制技術等核心技術都掌握在上述的國外噴頭制造廠商，BJ打印控制系統也由噴頭制造廠商為BJ打印設備專門設計，然后銷售給提供打印服務的廠商，獲取了BJ打印領域的大部分利潤。而國內BJ打印的廠商只能依賴進口得到噴頭以及核心零部件和核心技術，這嚴重制約了我國的BJ打印行業的發展。
四、粘結劑3D打印設備
目前，基于粘結劑噴射3D打印技術的開發與應用正逐漸形成一種強勁的趨勢，國內外的粘結劑噴射3D打印技術廠商充分理解該技術的市場潛力，積極探索并推出了應用于多個行業的粘結劑噴射3D打印設備，以實現原型設計、小批量開發、備件生產，甚至是工業規模的批量化生產。
△惠普金屬粘結劑打印設備
在國外，知名的粘結劑噴射3D打印廠商的有：Desktop Metal、ExOne（已被Desktop Metal收購）、voxeljet、Digital Metal（已被Markforged收購）、3D Systems。HP、GE Additive等全球性科技企業也看好粘結劑噴射3D打印技術的市場前景，紛紛向市場推出了粘結劑噴射3D打印設備。例如，HP推出了基于粘結劑噴射技術的金屬3D打印機Metal Jet，已成功應用多家制造企業，將工作效率提升高達數十倍，并顯著降低成本；GE Additive推出了粘結劑噴射金屬3D打印系統Binder Jet Line，旨在提高3D打印技術的規模化制造能力，目前已經可以打印航空、能源、汽車和其他工業領域使用的多種合金。在國內，盡管粘結劑噴射技術起步較晚，但我國也涌現出了隆源成型、共享智能裝備、峰華卓立、愛司凱、易制科技、阿爾法、中立鼎、雷佳等代表性廠商。
南極熊總結
目前關于粘結劑噴射技術的研究與應用主要集中在砂型打印，其次是基于粘結劑噴射的金屬3D打印領域。武漢易制、寧夏共享、隆源成型等國內公司通過自主研發設備，成功實現了粘結劑噴射在砂型打印中的應用，并進一步，通過將該技術應用于金屬3D 打印，實現了基于粘結劑噴射技術的金屬 3D 打印設備的開發。部分國內開發的粘結劑噴射技術的金屬 3D 打印設備還可實現對個別類型的陶瓷粉末的 3D 打印，但專門針對粘結劑噴射技術的陶瓷 3D打印設備仍處于研發階段。
粘結劑噴射增材制造（Binder Jetting Additive Manufacturing，簡稱BJAM）技術是一種常見的金屬3D打印技術。該技術基于粉末床工藝，通過噴墨打印頭逐層噴射粘結劑選區沉積在粉末床上，粘結打印三維實體零件初坯，隨后將打印的初坯置于均勻的熱環境中進行脫脂和燒結，使其致密化并獲得機械性能良好的零件。
一、粘結劑體系
BJAM技術具有低成本、材料體系廣泛、表面質量良好和無需支撐結構等獨特優點。影響BJAM打印金屬零件質量的因素可分為材料和工藝。材料因素包括粉末和粘結劑特性，粉末特性決定粉末床質量、初坯密度和致密化效果，初坯的幾何形狀和強度受到粘結劑的影響。
選擇合理的粘結劑是BJAM技術的關鍵之一。首先，粘結劑必須是可打印的，只有粘結劑具有合適的粘度，才能保證形成單個液滴并從噴頭的噴嘴中脫落。同時，粘結劑需要有足夠的粘結強度才能保證打印的初坯結構完整。此外，還需要有良好的粘結劑—粉末相互作用、清潔燃燒特性及較長的保質期和無環境污染風險。
△粘結劑噴射中粘結劑—粉末相互作用
用于 BJAM 技術的粘結劑可分為有機和無機粘結劑2種類型：有機粘結劑通過固化粘結粉末，而無機粘結劑通過膠體凝膠形成粘合。粘結劑也可分為酸堿粘結劑、金屬鹽粘結劑和溶劑粘結劑。酸堿粘結劑通過酸堿化學反應使粉末粘合，金屬鹽粘結劑通過鹽的重結晶、鹽結晶減少或者鹽置換反應形成粉末間的粘結。
溶劑粘結劑主要作用于聚合物粉末，可以溶解沉積區域并在溶劑蒸發后形成特定的結構。此外，基于不同的結合機理，存在粉末床粘結劑、相變粘結劑和燒結抑制粘結劑。粉末床粘結劑由于來自不同于一般的液態粘結劑，所以大部分粘結劑與粉末床混合后會通過噴嘴噴射液體與粉末作用產生粘結。相變粘結劑通過粘結劑的固化將粉末結合在一起，而燒結抑制粘結劑可以通過選擇性噴射隔熱材料控制燒結面積。粘結劑類別、可用材料及優缺點見下表。
△粘結劑類別、可用材料及優缺點
目前用于BJAM技術的成熟粘結劑相對較少，還存在易堵塞、強度低、難脫除等突出問題，并且大多數粘結劑并不能適用于多種粉末打印。另外，現有粘結劑大多是有機聚合物，脫脂后的殘留物對打印零件的性能造成了明顯的不利影響。因此，開發適合多類型打印的抗堵塞、強度高、易脫除甚至是無需脫除的新型粘結劑對推動 BJAM 技術的進步與應用至關重要！例如長沙墨科瑞于2021年5月推出環保水性粘結劑；2022年3月，他們研發成功第二代零殘留水性粘結劑，適合金屬、陶瓷粉末的BJAM工藝。低殘碳水性墨水是未來BJAM發展的一個主要方向，因為新的水性環保墨水具有極低的殘碳量，適合于對碳元素敏感的金屬材料的批量化生產。
二、BJ打印頭
△打印噴頭
噴頭是粘結劑噴射技術的關鍵結構件。按原理不同，可分為連續式按需式兩種。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劑，可以一次性快速成型較高尺寸和形狀精度的構件，因此成為了BJ打印的主流技術。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。壓電式噴墨頭技術仍以國外行業巨頭為主，為進一步加強技術自主能力，避免“卡脖子”技術壁壘，國內院校企業開展了一系列的研
發，主要關注于壓電式噴墨頭，在國外壓電式噴墨頭的基礎上設計相應的控制系統。
目前壓電噴頭的國產化仍然十分困難，因為打印技術涉及眾多難點，包括：多學科領域、精密微機械加工、眾多生產級測試設備需自主研發以及國外噴頭技術的壟斷。國內可自主研發生產壓電式噴頭的公司主要有杭州愛司凱、北京奧潤聯創和寧夏共享裝備這三家公司，大部分BJ打印樣機生產廠商會采用進口 + 國產的方式配備產品。進口噴頭主要來自于 FUJIFILM Dimatix（北極星，美國）、XAAR（賽爾，英國）、Konica（柯尼卡，日本）以及 SPT（精工，日本）四家制造商。噴頭的性能指標主要包括：墨滴大小、噴孔數量、噴頭精度、打印精度、打印速度、噴射頻率、噴嘴寬度，使用壽命等。
△常見國產噴頭的主要性能參數
三、控制系統
在衡量BJ打印機的工作性能中，打印質量和打印速度是的重要指標。BJ打印控制系統作為噴墨打印機的核心模塊，直接影響著BJ打印機的打印質量和打印速度。當BJ打印機確定了所使用的BJ打印頭后，則需要開發適配該BJ打印頭的BJ打印控制系統，實現對該BJ打印頭的驅動。
在BJ打印產業鏈中，目前處于產業鏈的上游的噴頭制造廠商包括FUJIFILM Dimatix（富士星光）、Xaar（塞爾）、KYOCERA（京瓷）和KONICA MINOLTA（柯尼卡美能達）等都為國外企業。現如今，最新的BJ打印噴頭、噴頭驅動控制技術、高精度伺服電機控制技術等核心技術都掌握在上述的國外噴頭制造廠商，BJ打印控制系統也由噴頭制造廠商為BJ打印設備專門設計，然后銷售給提供打印服務的廠商，獲取了BJ打印領域的大部分利潤。而國內BJ打印的廠商只能依賴進口得到噴頭以及核心零部件和核心技術，這嚴重制約了我國的BJ打印行業的發展。
四、粘結劑3D打印設備
目前，基于粘結劑噴射3D打印技術的開發與應用正逐漸形成一種強勁的趨勢，國內外的粘結劑噴射3D打印技術廠商充分理解該技術的市場潛力，積極探索并推出了應用于多個行業的粘結劑噴射3D打印設備，以實現原型設計、小批量開發、備件生產，甚至是工業規模的批量化生產。
△惠普金屬粘結劑打印設備
在國外，知名的粘結劑噴射3D打印廠商的有：Desktop Metal、ExOne（已被Desktop Metal收購）、voxeljet、Digital Metal（已被Markforged收購）、3D Systems。HP、GE Additive等全球性科技企業也看好粘結劑噴射3D打印技術的市場前景，紛紛向市場推出了粘結劑噴射3D打印設備。例如，HP推出了基于粘結劑噴射技術的金屬3D打印機Metal Jet，已成功應用多家制造企業，將工作效率提升高達數十倍，并顯著降低成本；GE Additive推出了粘結劑噴射金屬3D打印系統Binder Jet Line，旨在提高3D打印技術的規模化制造能力，目前已經可以打印航空、能源、汽車和其他工業領域使用的多種合金。在國內，盡管粘結劑噴射技術起步較晚，但我國也涌現出了隆源成型、共享智能裝備、峰華卓立、愛司凱、易制科技、阿爾法、中立鼎、雷佳等代表性廠商。
南極熊總結
目前關于粘結劑噴射技術的研究與應用主要集中在砂型打印，其次是基于粘結劑噴射的金屬3D打印領域。武漢易制、寧夏共享、隆源成型等國內公司通過自主研發設備，成功實現了粘結劑噴射在砂型打印中的應用，并進一步，通過將該技術應用于金屬3D 打印，實現了基于粘結劑噴射技術的金屬 3D 打印設備的開發。部分國內開發的粘結劑噴射技術的金屬 3D 打印設備還可實現對個別類型的陶瓷粉末的 3D 打印，但專門針對粘結劑噴射技術的陶瓷 3D打印設備仍處于研發階段。
(責任編輯：admin)
NASA與ICON聯手推進太空3D
第八屆醫院3D打印論壇：個
3D打印巨頭Stratasys收購
Nature子刊：3D打印技術助
全球兩大3D掃描儀巨頭合并
美國交通部長稱，FAA正借最新內容
美國空軍2860萬美
美國軍工企業強強
美國斥資450萬美
GoEngineer通過收
3D食品打�。号�
卡內基梅隆研究人熱點內容
