粘合劑噴射金屬3D打印技術(shù)的前世今生

近年來(lái)，隨著(zhù)人們對這項技術(shù)的興趣激增，ExOne發(fā)現自己多了一批資金雄厚、野心勃勃的競爭對手。



△粘合劑噴射3D打印機

下面這篇文章中，就職于ExOne的Sarah Webster的發(fā)展歷程盡管一路走來(lái)步履維艱，但是ExOne所設計的發(fā)展路徑，卻又能在技術(shù)日新月異的背景之下處于強有力的競爭地位。

南極熊希望，中國的粘合劑噴射（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打印技術(shù)越來(lái)越強大

預計在2021年，進(jìn)入到市面上的生產(chǎn)型粘合劑噴射3D打印機的數量將會(huì )達到前所未有的水平。這標志 著(zhù)這項工藝迎來(lái)了一個(gè)非常重要的轉折點(diǎn)，那就是從長(cháng)期被大眾視為小眾市場(chǎng)轉變?yōu)槿缃竦囊环N不可或缺的力量！

對于關(guān)注這項技術(shù)的人都知道，一些大品牌，比如惠普，GE以Desktop Metal正在層出不窮地推出新設備，預計將來(lái)還會(huì )有更多的機器涌入市常

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)導者，ExOne正在推出兩款生產(chǎn)型的系統：X1 160Pro和InnoventPro，這兩套設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。



△(左起第二個(gè)) ExOne的新款X1 160Pro新一代金屬粘合劑噴射機系列的一種， 還包括InnoventPro(左)、X1 25Pro(右)以及用來(lái)移動(dòng)粉盒的X1D1自動(dòng)引導車(chē)（AGV）。南極熊備注：在全球3D打印產(chǎn)品庫中，已經(jīng)收錄一批金屬粘合劑噴射3D打印機

隨著(zhù)這項技術(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動(dòng)著(zhù)，讓它變得越來(lái)越強大：

業(yè)內人士越來(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)應用到大批量生產(chǎn)中去。

批量增材制造交付數量可觀(guān)的可持續產(chǎn)品越來(lái)越重要。

換句話(huà)說(shuō)，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，則必須能夠實(shí)現低成本、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(guò)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特優(yōu)勢的金屬增材制造可以有效應用在一些領(lǐng)域，例如航空航天、軍工等；但對于大多數用戶(hù)而言，擴大PBF-LB生產(chǎn)規模顯然存在嚴重壁壘。

當考慮用PBF-LB為汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)提供價(jià)格合理的金屬零件時(shí)，速度、成本和復雜性又是非常嚴峻的挑戰。

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

這個(gè)轉變對一些機構影響深遠。ASTM，ISO，MPIF，DNV GL以及其他標準發(fā)布機構正在盡快制定全球粘合劑噴射技術(shù)的設計指南和質(zhì)量評估方法。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的精力和時(shí)間。

該技術(shù)的開(kāi)發(fā)主要由ExOne主導，在1995年至2013年期間，ExOne在金屬粘結劑噴射技術(shù)領(lǐng)域幾乎沒(méi)有競爭對手，其開(kāi)發(fā)涉及到與公立和私立大學(xué)、政府實(shí)驗室以及還有很多其他的粉末冶金和燒結領(lǐng)域的全球合作。

這是一項幾乎不可實(shí)現的技術(shù)，許多人一路上都放棄了，說(shuō)它太復雜了，永遠都不可能成功。

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

快速開(kāi)局，隨之而來(lái)是戰略調整

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

一家創(chuàng )新的磨料流加工而聞獲得了專(zhuān)門(mén)用于金屬制造的獨家使用許可。也獲得使用許可權，但是是用作于加工其他材料制品。

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

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

位于匹茲堡郊外，離賓夕法尼亞州的St. Marys不遠。St. Marys被稱(chēng)為“世界粉末金屬之都”，因為該地區有大量的結構粉末冶金部件工廠(chǎng)和金屬粉末生產(chǎn)商。

因此，將金屬粉末“3D打印”成未燒結的生胚件（需要在爐子中進(jìn)一步燒結），對他來(lái)說(shuō)似乎并不是一個(gè)遙不可及的概念。當時(shí)，MIM行業(yè)已經(jīng)做得非常類(lèi)似。

1995 年，Rhoades 在預期完成授權的情況下，在 Extrude Hone 內部成立了一個(gè)ProMetal 部門(mén)，專(zhuān)門(mén)負責金屬增材制造（AM）。

它以其創(chuàng )造性的臭鼬工廠(chǎng)氛圍而聞名“臭鼬工廠(chǎng)項目”是一個(gè)術(shù)語(yǔ)，用來(lái)描述由一個(gè)小型的、結構松散的團隊開(kāi)發(fā)的項目，主要是為了創(chuàng )新而研究和開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。

獲得許可證兩年后，推出了ProMetal RTS-300，這是世界上第一臺金屬粘結劑噴射3D打印機。RTS是“快速加工系統”的簡(jiǎn)稱(chēng)。它被譽(yù)為麻省理工學(xué)院專(zhuān)利的化身，很快就被摩托羅拉收購了。

然而，在當時(shí)，這項技術(shù)存在嚴重的局限性特別是粉末顆粒的尺寸。這臺機器可以成功地用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(guò)燒結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)團隊多年來(lái)關(guān)注的重點(diǎn)。