編者按：本文來自微信公眾號“3D打印聯盟智庫”（ID:iPrinting）作者：晚風飲墨香，3D打印資源庫經授權發(fā)布。

最近很多讀者開始關注并在后臺留言，讓從技術角度分析一下粘結劑噴射3D打印技術，本著“科技制造美好”的愿景，本期概述粘結劑噴射3D打印技術，分析該技術存在的優(yōu)勢與局限。

技術簡介

粘結劑噴射3D打印技術是在噴墨打印機的技術原理基礎之上，由麻省理工Ely Sachs與Mike Cima于1993年研發(fā)成功，開始使用的材料為塑料粉末，經發(fā)展衍變，材料拓寬至砂子，金屬粉末及PMMA材料。

與SLM技術不同的是，粘結劑噴射3D打印技術具有成形速度快，無支撐成形，成形幅面大等特點，這讓人們看到了3D打印技術批量化制造的可能性，因此很快受到資本投資市場的青睞，呈現出迅猛發(fā)展的態(tài)勢。

技術原理與特點

粘結劑噴射3D打印技術原理與我們常用的辦公室二維打印機類似，只是二維打印機噴射的是墨水，而粘結劑噴射打印技術通過噴頭噴射粘結劑，這是一種化學試劑，所使用的材料也由白紙變成了塑料，陶瓷，砂子，金屬粉末或是PMMA材料。之后通過不斷地疊加成形，最終形成完成的零件實體。對于金屬材料而言，配合后期的脫脂燒結工藝來制備最終尺寸的零部件。下面我們就以金屬粘結劑噴射3D打印技術為例來分析它的技術優(yōu)勢與局限：

（1）粘結劑。粘結劑的研制是該技術的核心之一，不同材料需要粘結的強度存在差異，且后期燒結溫度與時間也各不相同，所以這就需要針對不同的金屬材料研發(fā)合適的粘結劑，我們把粘結劑的研發(fā)比作SLM材料工藝參數的開發(fā)，是控制成形質量的關鍵。粘結劑的研發(fā)要遵循結合強度適宜，后期好去除等原則。

（2）成形效率。粘結劑噴射3D打印技術屬于面成形，成形效率取決于打印噴頭的數量，原則上講是噴頭數量越多成形效率越高，但是噴頭數量越多會帶來噴射系統設計復雜，噴射量大小控制難度提升，最終導致設備成本大幅提高等，因此，噴頭數量的選擇與成形效率要匹配。當噴頭數量增加帶來的設備成本增加值低于成形效率造就的價值增加值時，可以通過增加噴頭數量來提高成形效率，反之則無效。

（3）材料選擇。理論上講該技術適合的材料類型比SLM要多，因為不涉及激光吸收率、材料熔凝等問題，所以有很多非金屬材料非常適宜，但是實際上，截止到現在，根據統計額的可用于粘結劑噴射3D打印技術的金屬材料只有10多種。但是需要注意的是在材料選型時一定要規(guī)避與粘結劑有化學活性的材料，這一點對金屬材料選型有著不小的約束。

（4）脫脂燒結工藝。對于金屬材料而言，后期的脫脂燒結工藝是質量控制的要點，但也是控制的核心難點。這需要考慮溫度，時間，材料與零件結構等綜合因素。

首先是脫脂，借鑒MIM的脫脂燒結工藝，采用加酸的催化脫脂方式可以去除一定比例的粘結劑；其次是燒結，燒結不僅僅是材料的融合，也是脫脂的一部分。

燒結工藝最關鍵的是零件的收縮，這與零件的大小，薄厚及結構密切相關。目前，粘結劑噴射3D打印技術所做的零件結構還是處于結構相對簡單，成形尺寸有限的范圍，怎么衡量這個有限尺寸？一個拳頭。一般零件尺寸比拳頭大的會因脫脂受限和各個方向收縮不均勻而無法采用此項技術，因此這也是此項技術的關鍵局限——無法成形中大型零件。

此外是脫脂溫度與材料熔點、物理特性也密切相關，鋁合金因燒結時易發(fā)生燃燒而無法進行有效脫脂。

另外一個限制就是脫脂后的性能。一般脫脂后材料的致密度不會很高，導致性能較差，尤其是屈服強度不高，舉例說明：316L燒結后屈服強度在200MPa左右。不過可通過引入外來元素在脫脂過程中進行熔滲，使得材料達到全致密，但這也會對材料性能造成影響，形成一種類似的雙合金材料。

（5）成形過程。成形過程可分為成形環(huán)境與成形支撐，粘結劑噴射3D打印技術因不存在溫度變化，因此在常溫與空氣中即可成形，也無需設計專用支撐，采用粉末材料自支撐可實現多零件的重復成形。由于成形過程的簡單性，粘結劑噴射3D打印技術的材料利用率很高，且重復使用率也得到很大提升，只要將剩余材料過篩后即可再次利用。

（6）成形精度與表面質量。粘結劑噴射3D打印技術所能達到的成形精度主要取決于后期燒結工藝的控制，但是表面粗糙度不高，以不銹鋼為例，Ra保持在6左右。

行業(yè)與市場企業(yè)

目前，該項技術雖然被看好，甚至出現了紅極一時的Destop Metal公司，但是令人遺憾的是，除了在鑄造領域被廣泛的成熟應用外，其它領域的應用情況尚未明朗，尤其是金屬材料的此項技術應用，還遠未達到批量使用的成熟度。

事實上，無論是金屬粘結劑噴射還是SLM技術，其發(fā)展歷程如出一轍。凡是涉及到金屬材料直接成形的3D打印技術都會遭遇到發(fā)展阻礙和應用瓶頸，這種阻礙我們在前文中 《金屬3D打印火了這么多年，為什么產業(yè)應用還是舉步維艱？》 談到過，需要時間慢慢積累，慢慢突破。

或許你會疑惑，為什么鑄造行業(yè)會很成熟的應用呢，無論是粘結劑噴射技術還是SLS技術？答案是：3D打印+鑄造的模式本質上屬于傳統鑄造模式。雖然砂型與蠟型制作會使用新的3D打印技術制作，但是這并未直接影響到金屬零件的成形方式，依然是鑄造的方式，本質上依然屬于傳統制作方法，只是3D打印的砂型與蠟型相比于傳統制作方法可能更復雜一些，因此零件最終所使用的依然是傳統鑄造相關的金屬材料與標準。但是金屬粘結劑噴射打印技術與SLM技術都是直接形式的金屬粉末成形，這與傳統的制作方式存在本質的區(qū)別，所以相關的規(guī)范標準也不再適用，這也造成了應用發(fā)展滯緩的結果。

從長遠來看，只有真正開發(fā)出適用于直接形式的金屬3D打印包括材料，工藝制造標準，檢驗檢測標準，質量控制流程等相關標準規(guī)范后，才會達到一個真正實現應用的新階段。

注：引用圖片均源自網絡

本文經授權發(fā)布，不代表3D打印資源庫立場。如若轉載請聯系原作者。

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最近很多讀者開始關注并在后臺留言，讓從技術角度分析一下粘結劑噴射3D打印技術，本著“科技制造美好”的愿景，本期概述粘結劑噴射3D打印技術，分析該技術存在的優(yōu)勢與局限。

技術簡介

粘結劑噴射3D打印技術是在噴墨打印機的技術原理基礎之上，由麻省理工Ely Sachs與Mike Cima于1993年研發(fā)成功，開始使用的材料為塑料粉末，經發(fā)展衍變，材料拓寬至砂子，金屬粉末及PMMA材料。

與SLM技術不同的是，粘結劑噴射3D打印技術具有成形速度快，無支撐成形，成形幅面大等特點，這讓人們看到了3D打印技術批量化制造的可能性，因此很快受到資本投資市場的青睞，呈現出迅猛發(fā)展的態(tài)勢。

技術原理與特點

粘結劑噴射3D打印技術原理與我們常用的辦公室二維打印機類似，只是二維打印機噴射的是墨水，而粘結劑噴射打印技術通過噴頭噴射粘結劑，這是一種化學試劑，所使用的材料也由白紙變成了塑料，陶瓷，砂子，金屬粉末或是PMMA材料。之后通過不斷地疊加成形，最終形成完成的零件實體。對于金屬材料而言，配合后期的脫脂燒結工藝來制備最終尺寸的零部件。下面我們就以金屬粘結劑噴射3D打印技術為例來分析它的技術優(yōu)勢與局限：

（1）粘結劑。粘結劑的研制是該技術的核心之一，不同材料需要粘結的強度存在差異，且后期燒結溫度與時間也各不相同，所以這就需要針對不同的金屬材料研發(fā)合適的粘結劑，我們把粘結劑的研發(fā)比作SLM材料工藝參數的開發(fā)，是控制成形質量的關鍵。粘結劑的研發(fā)要遵循結合強度適宜，后期好去除等原則。

（2）成形效率。粘結劑噴射3D打印技術屬于面成形，成形效率取決于打印噴頭的數量，原則上講是噴頭數量越多成形效率越高，但是噴頭數量越多會帶來噴射系統設計復雜，噴射量大小控制難度提升，最終導致設備成本大幅提高等，因此，噴頭數量的選擇與成形效率要匹配。當噴頭數量增加帶來的設備成本增加值低于成形效率造就的價值增加值時，可以通過增加噴頭數量來提高成形效率，反之則無效。

（3）材料選擇。理論上講該技術適合的材料類型比SLM要多，因為不涉及激光吸收率、材料熔凝等問題，所以有很多非金屬材料非常適宜，但是實際上，截止到現在，根據統計額的可用于粘結劑噴射3D打印技術的金屬材料只有10多種。但是需要注意的是在材料選型時一定要規(guī)避與粘結劑有化學活性的材料，這一點對金屬材料選型有著不小的約束。

（4）脫脂燒結工藝。對于金屬材料而言，后期的脫脂燒結工藝是質量控制的要點，但也是控制的核心難點。這需要考慮溫度，時間，材料與零件結構等綜合因素。

首先是脫脂，借鑒MIM的脫脂燒結工藝，采用加酸的催化脫脂方式可以去除一定比例的粘結劑；其次是燒結，燒結不僅僅是材料的融合，也是脫脂的一部分。

燒結工藝最關鍵的是零件的收縮，這與零件的大小，薄厚及結構密切相關。目前，粘結劑噴射3D打印技術所做的零件結構還是處于結構相對簡單，成形尺寸有限的范圍，怎么衡量這個有限尺寸？一個拳頭。一般零件尺寸比拳頭大的會因脫脂受限和各個方向收縮不均勻而無法采用此項技術，因此這也是此項技術的關鍵局限——無法成形中大型零件。

此外是脫脂溫度與材料熔點、物理特性也密切相關，鋁合金因燒結時易發(fā)生燃燒而無法進行有效脫脂。

另外一個限制就是脫脂后的性能。一般脫脂后材料的致密度不會很高，導致性能較差，尤其是屈服強度不高，舉例說明：316L燒結后屈服強度在200MPa左右。不過可通過引入外來元素在脫脂過程中進行熔滲，使得材料達到全致密，但這也會對材料性能造成影響，形成一種類似的雙合金材料。

（5）成形過程。成形過程可分為成形環(huán)境與成形支撐，粘結劑噴射3D打印技術因不存在溫度變化，因此在常溫與空氣中即可成形，也無需設計專用支撐，采用粉末材料自支撐可實現多零件的重復成形。由于成形過程的簡單性，粘結劑噴射3D打印技術的材料利用率很高，且重復使用率也得到很大提升，只要將剩余材料過篩后即可再次利用。

（6）成形精度與表面質量。粘結劑噴射3D打印技術所能達到的成形精度主要取決于后期燒結工藝的控制，但是表面粗糙度不高，以不銹鋼為例，Ra保持在6左右。

行業(yè)與市場企業(yè)

目前，該項技術雖然被看好，甚至出現了紅極一時的Destop Metal公司，但是令人遺憾的是，除了在鑄造領域被廣泛的成熟應用外，其它領域的應用情況尚未明朗，尤其是金屬材料的此項技術應用，還遠未達到批量使用的成熟度。

事實上，無論是金屬粘結劑噴射還是SLM技術，其發(fā)展歷程如出一轍。凡是涉及到金屬材料直接成形的3D打印技術都會遭遇到發(fā)展阻礙和應用瓶頸，這種阻礙我們在前文中 《金屬3D打印火了這么多年，為什么產業(yè)應用還是舉步維艱？》 談到過，需要時間慢慢積累，慢慢突破。

或許你會疑惑，為什么鑄造行業(yè)會很成熟的應用呢，無論是粘結劑噴射技術還是SLS技術？答案是：3D打印+鑄造的模式本質上屬于傳統鑄造模式。雖然砂型與蠟型制作會使用新的3D打印技術制作，但是這并未直接影響到金屬零件的成形方式，依然是鑄造的方式，本質上依然屬于傳統制作方法，只是3D打印的砂型與蠟型相比于傳統制作方法可能更復雜一些，因此零件最終所使用的依然是傳統鑄造相關的金屬材料與標準。但是金屬粘結劑噴射打印技術與SLM技術都是直接形式的金屬粉末成形，這與傳統的制作方式存在本質的區(qū)別，所以相關的規(guī)范標準也不再適用，這也造成了應用發(fā)展滯緩的結果。

從長遠來看，只有真正開發(fā)出適用于直接形式的金屬3D打印包括材料，工藝制造標準，檢驗檢測標準，質量控制流程等相關標準規(guī)范后，才會達到一個真正實現應用的新階段。

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