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3D打印2.0:BJ粘結劑噴射金屬成型
2022/10/31
 

3D打印技術已經發展了三十多年,其產業化應用全球年復合增長率在20%以上,中國甚至更高,但由于其產值基數相對較小,3D打印行業盡管意義重大,至今卻還是個小行業。3D打印產業化緩慢的主要原因有二:一是打印效率低,也就是制造速度慢;二是打印材料貴,也就是制造成本高。一個既慢又貴的技術,很難被應用到生產線去,這就是為什么之前3D打印設備的主要用戶大多是科研院所、大公司的研發部門、學校以及3D打印服務機構。

為了解決傳統3D打印既慢又貴的問題,3D打印2.0粘結劑噴射(Binder Jetting/3DP,下文簡稱BJ)工藝應運而起。相對于3D打印1.0,如PBF、DED等金屬增材制造工藝是采用“點掃描”的技術,存在加工效率較低,成本數倍于傳統制造技術,難以實現大規模產業化應用,采用了“線掃描”技術的3D打印2.0粘結劑噴射BJ工藝是一種高效率、高精度的增材制造技術,其沿用傳統粉末冶金行業的材料體系和燒結工藝,成本低廉,材料標準化程度高,能夠為工業屆提供高效率、高質量、低成本的金屬增材制造解決方案,可以應用到生產線,為3D打印技術的規?;瘧么蛳铝藞詫嵉幕A。預計3D打印2.0將為3D打印行業帶來突破性持續增長。

國際上,Desktop Metal、HP、Digital Metal、GE等全球性科技企業看好BJ金屬技術的市場潛力,在近5年間先后完成BJ金屬技術的開發,并實現了一定程度的產業化應用。中國作為制造業大國,對BJ金屬技術的市場需求更為迫切,特別是來自MIM(金屬注射成型)行業對快速試制和中小批量生產的需求。在此背景下,國內BJ金屬技術在近幾年迅速發展。事實上,早在1994年,北京隆源自動成型系統有限公司(三帝科技旗下企業,以下簡稱“隆源成型”)創始人宗貴升博士便提出了“線掃描”的理念,并申報了“變長線掃描快速自動成型方法和裝置”的發明專利(ZL 94106496.4)。2018年以來,隆源成型通過博士后工作站博士后團隊的技術創新和研發團隊的工程創新,已成功研發和生產了系列BJ設備,以及適用于20多種材料的5大系列粘接劑,并投放市場。



基于公司國千科技研究院、博士后工作站、產品研發團隊三位一體的協同創新體系,及近30年增材制造設備的研制基礎,隆源成型自主掌握了粘結劑噴射成型技術的裝備、材料、工藝相關的多項關鍵技術,完成了研發型R系列、生產型P系列等系列化設備的研制,及鐵基材料、有色金屬、高溫合金、難熔金屬、陶瓷材料、無機鹽、高分子材料、食品材料等體系化材料工藝的開發。

隆源成型R系列設備AFS-J120R、AFS-J380R是面向高校、科研院所、企業研發機構等的研發型設備。該系列設備可實現最高±0.2mm的打印精度、400~800DPI的分辨率、2.5L/h的打印速度及55~62%的綠坯致密度。設備操作方便快捷,可靈活更換粉末材料和粘結劑墨水,結構簡練、易維護,有效保障科研效率和實驗的可重復性。采用自主研發的工控軟件和數據處理軟件,工藝參數開放度高、自主可調,不僅兼容材料種類多,更適用于新材料的探索性研究與快速制備迭代。


圖:隆源成型BJ粘結劑噴射金屬打印設備AFS-J120R(左)、AFS-J380R(右)

P系列設備是面向MIM、模具、刀具等行業的生產型設備。該系列設備采用最新的上送粉式單缸結構,配備V+精準落粉系統、雙輥復合高致密鋪粉系統、噴頭自動清洗、內置空氣凈化系統等裝置,操作方便快捷、可靈活更換粉末材料和粘結劑墨水,有效保障生產效率??蓪崿F±0.15mm的打印精度、400~1200DPI的分辨率(自由可調)、最高2.5L/h的打印速度及55~62%的綠坯致密度。高端生產型設備AFS-J380L還配置有高精度成型缸轉運車,可實現成型缸的快速轉運和快速更換,節約固化等待時間;最高打印精度可達±0.1mm,最高打印速度可達3.6L/h,相關技術指標達國際先進水平。

        
圖:隆源成型BJ粘結劑噴射金屬打印設備AFS-J380P(左) 、AFS-J380L(右)

此外,隆源成型具備粘結劑配方的自主設計能力,能夠滿足客戶新材料、新應用對定制粘結劑的開發需求。在設備基礎上,已成功開發了系列BJ專用粘結劑配方,適用于鐵基合金、輕金屬合金、有機玻璃、陶瓷等20余種基體材料。其中,SS316L、SS420、18Ni300等多種材料的脫脂燒結工藝,均滿足MIM行業國際材料標準。另外,公司在全國設立了專業的技術服務中心,可全時快速響應客戶需求,為設備穩定運行提供堅實保障。



圖:隆源成型BJ粘結劑噴射金屬打印案例

BJ金屬技術因其打印效率高、材料成本低、設備性價比高、無需額外支撐、適于批量化等特點,被稱為“Additive 2.0”技術,將會在汽車、五金、電子、工具、模具、刀具、醫療器械、運動器材等行業形成規?;a業應用,具有廣闊的市場空間,未來市場規模超過千億元。同時,作為一種直接金屬成型技術,BJ金屬技術的開發與應用也正逐漸成長為金屬增材制造領域的核心技術趨勢,在批量化金屬零件的生產中顯露出強大的生命力。相信,在未來,這項技術將深刻影響傳統制造行業,并將改變金屬增材制造行業的市場格局。

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