粘結劑噴射金屬3D打印技術(shù)在規模批量生產(chǎn)金屬零件上有著(zhù)巨大的成本優(yōu)勢、效率優(yōu)勢，因而近幾年得到汽車(chē)等工業(yè)領(lǐng)域的重視。但國內商業(yè)化的速度較慢，因為涉及到多學(xué)科交叉的諸多問(wèn)題，例如金屬材料、軟件控制、脫脂燒結工藝等，其中一大難點(diǎn)是把金屬粉末材料粘在一起的粘結劑。

粘結劑噴射增材制造（Binder Jetting Additive Manufacturing，簡(jiǎn)稱(chēng)BJAM）技術(shù)是一種常見(jiàn)的金屬3D打印技術(shù)。該技術(shù)基于粉末床工藝，通過(guò)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(shí)體零件初坯，隨后將打印的初坯置于均勻的熱環(huán)境中進(jìn)行脫脂和燒結，使其致密化并獲得機械性能良好的零件。

BJAM技術(shù)的發(fā)展歷程

由于BJAM技術(shù)和傳統打印機的構成和原理類(lèi)似，所以也被稱(chēng)為三維打印技術(shù)（Three-Dimensional Printing，簡(jiǎn)稱(chēng) 3DP）。該技術(shù)最初于20世紀90年代初由麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)，美國Z Corporation公司于 1995 年得到3DP技術(shù)授權，并陸續推出了系列的3DP設備。1996 年美國 Extrude Hone 公司獲得MIT的專(zhuān)利授權，并于1997 年推出世界上首臺金屬 BJAM設備 ProMetal RTS-300。2003 年 Extrude Hone 旗下ExOne 公司獨立出來(lái)，并推出了第一臺砂石3D打印機S15，從此專(zhuān)注于粘結劑噴射打印不銹鋼零件和鑄造用模具。2013年，美國 ASTM 委員會(huì )正式命名 BJAM 技術(shù)。2015 年，Z Corporation公司推出了全彩色 BJAM 打印機。2018 年，金屬BJAM 被《MIT 科技評論》評價(jià)為全球十大突破性技術(shù)。

近年來(lái)，BJAM的打印材料被不斷擴展，從鐵基材料擴展至鈦合金、高溫合金甚至是鋁和鎂等活性金屬材料。2021 年，美國 Desktop Metal 公司和 Uniformity Labs聯(lián)合推出可打印全致密 6061鋁合金的 BJAM打印機，為 BJAM 技術(shù)的應用打開(kāi)了新空間。國內也逐漸開(kāi)始關(guān)注 BJAM 技術(shù)，相關(guān)公司包括武漢易制、愛(ài)司凱、峰華卓立和寧夏共享等推出了 BJAM 打印機。其中，華中科技大學(xué)團隊自 2012年開(kāi)始 BJAM 技術(shù)的研發(fā)，早期是打印石膏、聚合物和鑄造用砂，現在重點(diǎn)研究的是金屬 BJAM技術(shù)，并于 2017 年由合作企業(yè)武漢易制公司推出金屬BJAM打印機，打印材料包括 316L、420、銅和鈦合金等。

與PBF和DED等高能束熱源3D打印技術(shù)相比，BJAM技術(shù)具有低成本、材料體系廣泛、表面質(zhì)量良好和無(wú)需支撐結構等獨特優(yōu)點(diǎn)。影響B(tài)JAM打印金屬零件質(zhì)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(zhì)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，

粘結劑種類(lèi)

用于 BJAM 技術(shù)的粘結劑可分為有機和無(wú)機粘結劑2種類(lèi)型：有機粘結劑通過(guò)固化粘結粉末，而無(wú)機粘結劑通過(guò)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(guò)酸堿化學(xué)反應使粉末粘合，金屬鹽粘結劑通過(guò)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(fā)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(lái)自不同于一般的液態(tài)粘結劑，所以大部分粘結劑與粉末床混合后會(huì )通過(guò)噴嘴噴射液體與粉末作用產(chǎn)生粘結。相變粘結劑通過(guò)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(guò)選擇性噴射隔熱材料控制燒結面積。粘結劑類(lèi)別、可用材料及優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表。

金屬BJAM技術(shù)粘結劑體系的改善方向

近年來(lái)，金屬 BJAM 技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注，商品化 BJAM 打印機不斷推出，成功應用被不斷報道。然而，金屬 BJAM 技術(shù)目前還存在不足，后續需要繼續優(yōu)化，粘結劑體系的優(yōu)化和完善屬于其中的重要一環(huán)。

在機理研究方面，粘結劑和粉末顆粒之間的相互作用會(huì )顯著(zhù)影響初坯的幾何形狀、強度及最終零件的質(zhì)量。粘結劑—粉末相互作用機理尚不清晰，需理清粘結劑沉積和遷移行為對粉末床質(zhì)量的影響，開(kāi)發(fā)出作用過(guò)程的預測模型。

在材料開(kāi)發(fā)端，目前用于金屬BJAM技術(shù)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(wèn)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(kāi)發(fā)適合多類(lèi)型金屬打印的抗堵塞、強度高、易脫除甚至是無(wú)需脫除的新型粘結劑對推動(dòng)金屬 BJAM 技術(shù)的進(jìn)步與應用至關(guān)重要。

金屬BJAM粘結劑未來(lái)的幾個(gè)發(fā)展方向：

1、水性

目前BJAM使用的大都是有機粘結劑，有機溶劑對環(huán)境污染存在風(fēng)險?？梢灶A知，隨著(zhù)BJAM的推廣，粘結劑的大量使用，環(huán)境污染的問(wèn)題將會(huì )更加凸顯出來(lái)。水性粘結劑的使用將會(huì )占絕對的主導地位。

2、中性

具有酸堿性的墨水會(huì )與金屬粉末發(fā)生反應，只有中性或接近于中性的墨水才能適用于多種金屬粉末的BJAM打印。

3、低殘留

金屬BJAM打印好的生坯，需要后續燒結處理。后續燒結本質(zhì)上是一個(gè)冶金過(guò)程，需要一個(gè)潔凈的金屬粉末表面。粘結劑脫膠不徹底的話(huà)，會(huì )存在碳、氮、硫等殘留物；這些殘留物的存在會(huì )敏感地影響最后金屬冶金件的性能。

4、高固低粘度

高分子含量高的水性墨水，會(huì )增加生坯的定形強度；生坯具有較高的強度的話(huà)，這對打印薄壁、復雜的工件是有幫助的，并且可以減低生坯轉運時(shí)破損的風(fēng)險。但是高的固含量會(huì )提高墨水的粘度，會(huì )造成堵噴頭的現象，甚至噴不出來(lái)。怎樣兼顧這一對矛盾，研發(fā)出高固含低粘度的墨水是一個(gè)要重點(diǎn)考量的方向。

5、納米墨水

BJAM生坯燒結最大的問(wèn)題是收縮和不對稱(chēng)變形的問(wèn)題。解決的途徑主要有兩個(gè)：一是采用低溫滲透燒結的方法（滲銅、釬焊等），通過(guò)在固相燒結的同時(shí)進(jìn)行滲銅、釬料合金滲透釬焊來(lái)避免或降低收縮變形；另一個(gè)途徑是采用含有金屬納米（或金屬納米前驅物）的墨水，墨水先在一個(gè)較低的燒結溫度下析出金屬納米粒子，一方面起到粘結金屬粉末的作用，另一方面可以填充粉末之間的間隙，這樣就可以達到減低收縮變形的目的。

采用納米墨水勢必會(huì )增加墨水的粘度，不能適用于常規噴頭。常規噴頭只適用低粘度的墨水。因此，BJAM設備廠(chǎng)家，特別是噴頭廠(chǎng)家，開(kāi)發(fā)出適用于高粘度墨水的噴頭已經(jīng)勢在必行。