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3D打印2.0:BJ粘结剂喷射金属成型
2022/10/31
 

3D打印技术已经发展了三十多年,其产业化应用全球年复合增长率在20%以上,中国甚至更高,但由于其产值基数相对较小,3D打印行业尽管意义重大,至今却还是个小行业。3D打印产业化缓慢的主要原因有二:一是打印效率低,也就是制造速度慢;二是打印材料贵,也就是制造成本高。一个既慢又贵的技术,很难被应用到生产线去,这就是为什么之前3D打印设备的主要用户大多是科研院所、大公司的研发部门、学校以及3D打印服务机构。

为了解决传统3D打印既慢又贵的问题,3D打印2.0粘结剂喷射(Binder Jetting/3DP,下文简称BJ)工艺应运而起。相对于3D打印1.0,如PBF、DED等金属增材制造工艺是采用“点扫描”的技术,存在加工效率较低,成本数倍于传统制造技术,难以实现大规模产业化应用,采用了“线扫描”技术的3D打印2.0粘结剂喷射BJ工艺是一种高效率、高精度的增材制造技术,其沿用传统粉末冶金行业的材料体系和烧结工艺,成本低廉,材料标准化程度高,能够为工业届提供高效率、高质量、低成本的金属增材制造解决方案,可以应用到生产线,为3D打印技术的规模化应用打下了坚实的基础。预计3D打印2.0将为3D打印行业带来突破性持续增长。

国际上,Desktop Metal、HP、Digital Metal、GE等全球性科技企业看好BJ金属技术的市场潜力,在近5年间先后完成BJ金属技术的开发,并实现了一定程度的产业化应用。中国作为制造业大国,对BJ金属技术的市场需求更为迫切,特别是来自MIM(金属注射成型)行业对快速试制和中小批量生产的需求。在此背景下,国内BJ金属技术在近几年迅速发展。事实上,早在1994年,北京隆源自动成型系统有限公司(三帝科技旗下企业,以下简称“隆源成型”)创始人宗贵升博士便提出了“线扫描”的理念,并申报了“变长线扫描快速自动成型方法和装置”的发明专利(ZL 94106496.4)。2018年以来,隆源成型通过博士后工作站博士后团队的技术创新和研发团队的工程创新,已成功研发和生产了系列BJ设备,以及适用于20多种材料的5大系列粘接剂,并投放市场。



基于公司国千科技研究院、博士后工作站、产品研发团队三位一体的协同创新体系,及近30年增材制造设备的研制基础,隆源成型自主掌握了粘结剂喷射成型技术的装备、材料、工艺相关的多项关键技术,完成了研发型R系列、生产型P系列等系列化设备的研制,及铁基材料、有色金属、高温合金、难熔金属、陶瓷材料、无机盐、高分子材料、食品材料等体系化材料工艺的开发。

隆源成型R系列设备AFS-J120R、AFS-J380R是面向高校、科研院所、企业研发机构等的研发型设备。该系列设备可实现最高±0.2mm的打印精度、400~800DPI的分辨率、2.5L/h的打印速度及55~62%的绿坯致密度。设备操作方便快捷,可灵活更换粉末材料和粘结剂墨水,结构简练、易维护,有效保障科研效率和实验的可重复性。采用自主研发的工控软件和数据处理软件,工艺参数开放度高、自主可调,不仅兼容材料种类多,更适用于新材料的探索性研究与快速制备迭代。


图:隆源成型BJ粘结剂喷射金属打印设备AFS-J120R(左)、AFS-J380R(右)

P系列设备是面向MIM、模具、刀具等行业的生产型设备。该系列设备采用最新的上送粉式单缸结构,配备V+精准落粉系统、双辊复合高致密铺粉系统、喷头自动清洗、内置空气净化系统等装置,操作方便快捷、可灵活更换粉末材料和粘结剂墨水,有效保障生产效率。可实现±0.15mm的打印精度、400~1200DPI的分辨率(自由可调)、最高2.5L/h的打印速度及55~62%的绿坯致密度。高端生产型设备AFS-J380L还配置有高精度成型缸转运车,可实现成型缸的快速转运和快速更换,节约固化等待时间;最高打印精度可达±0.1mm,最高打印速度可达3.6L/h,相关技术指标达国际先进水平。

        
图:隆源成型BJ粘结剂喷射金属打印设备AFS-J380P(左) 、AFS-J380L(右)

此外,隆源成型具备粘结剂配方的自主设计能力,能够满足客户新材料、新应用对定制粘结剂的开发需求。在设备基础上,已成功开发了系列BJ专用粘结剂配方,适用于铁基合金、轻金属合金、有机玻璃、陶瓷等20余种基体材料。其中,SS316L、SS420、18Ni300等多种材料的脱脂烧结工艺,均满足MIM行业国际材料标准。另外,公司在全国设立了专业的技术服务中心,可全时快速响应客户需求,为设备稳定运行提供坚实保障。



图:隆源成型BJ粘结剂喷射金属打印案例

BJ金属技术因其打印效率高、材料成本低、设备性价比高、无需额外支撑、适于批量化等特点,被称为“Additive 2.0”技术,将会在汽车、五金、电子、工具、模具、刀具、医疗器械、运动器材等行业形成规模化产业应用,具有广阔的市场空间,未来市场规模超过千亿元。同时,作为一种直接金属成型技术,BJ金属技术的开发与应用也正逐渐成长为金属增材制造领域的核心技术趋势,在批量化金属零件的生产中显露出强大的生命力。相信,在未来,这项技术将深刻影响传统制造行业,并将改变金属增材制造行业的市场格局。

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