2022年11月，粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者Desktop Metal宣布獲得德國(guó)一家主要汽車(chē)制造商價(jià)值900萬(wàn)美元的粘結(jié)劑噴射3D打印系統(tǒng)訂單，用于動(dòng)力總成部件的大批量生產(chǎn)。

Desktop Metal表示已為多個(gè)全球汽車(chē)品牌提供服務(wù)——包括特斯拉、寶馬、雷諾、大陸和福特——其中許多品牌使用該公司的技術(shù)來(lái)3D打印最終用途汽車(chē)部件。3D打印技術(shù)參考查閱了大量資料，發(fā)現(xiàn)已有多家知名品牌汽車(chē)制造商正在挖掘粘結(jié)劑噴射，尤其是用于金屬3D打印的應(yīng)用潛力。

01客戶(hù)或是寶馬——同一客戶(hù)總訂單達(dá)1690萬(wàn)美元

2021年12月，Desktop Metal宣布獲得了德國(guó)汽車(chē)制造商790萬(wàn)美元的同類(lèi)訂單。尤其值得注意的是，兩份合同是同一個(gè)買(mǎi)家，訂單總價(jià)達(dá)到了1690萬(wàn)美元（1.2億人民幣）。

這意味著，該汽車(chē)制造商對(duì)粘結(jié)劑噴射技術(shù)極為認(rèn)可，為其帶來(lái)了顯著的成本效益，因此追加投資?？紤]到寶馬是Desktop Metal通過(guò)BMW iVentures的首批投資者之一，大眾汽車(chē)正在積極與惠普合作，而戴姆勒奔馳已經(jīng)與EOS合作多年，廣泛猜測(cè)這家德國(guó)企業(yè)是寶馬汽車(chē)。而且3D打印技術(shù)參考還在寶馬發(fā)布的增材制造產(chǎn)業(yè)園宣傳片中看到了Exone的Innovent X金屬打印機(jī)，進(jìn)一步印證了這種可能。這兩筆訂單也使Desktop Metal成為促使粘結(jié)劑噴射技術(shù)落地應(yīng)用、尤其是汽車(chē)領(lǐng)域應(yīng)用的主要推動(dòng)者。

寶馬增材制造產(chǎn)業(yè)園中的Exone金屬打印機(jī)

然而需要指出的是，隨著對(duì)Exone的收購(gòu)，Desktop Metal已將前者的砂型粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)納入旗下，后者也并未明確指出兩份訂單所涉及的系統(tǒng)類(lèi)型。但新聞稿中一句“to support digitally casted powertrain components for a popular car line”，對(duì)于數(shù)字鑄造的描述似乎有一定的傾向性。而兩筆訂單所也均提到將用于制造汽車(chē)動(dòng)力總成部件制造。

采用粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)和SLM技術(shù)制造的寶馬水泵輪

Desktop Metal目前確實(shí)擁有眾多類(lèi)型的3D打印工藝，如砂型、樹(shù)脂、陶瓷、纖維等，其所提到的眾多汽車(chē)用戶(hù)采用的哪種技術(shù)無(wú)法產(chǎn)生明確的認(rèn)知。3D打印技術(shù)參考進(jìn)行了包括學(xué)術(shù)論文在內(nèi)的廣泛查詢(xún)，發(fā)現(xiàn)對(duì)該技術(shù)的報(bào)道或應(yīng)用公開(kāi)仍然極少，但本文仍聚焦于金屬粘結(jié)劑噴射在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用。

02大眾汽車(chē)——將粘結(jié)劑噴射金屬3D打印用于生產(chǎn)

2021年，德國(guó)大眾汽車(chē)透露，未來(lái)幾年將加速使用粘結(jié)劑噴射3D打印工藝進(jìn)行汽車(chē)生產(chǎn)，并將在公司位于德國(guó)沃爾夫斯堡的主要工廠進(jìn)行相關(guān)部署。為實(shí)現(xiàn)這一創(chuàng)新進(jìn)步，大眾汽車(chē)在過(guò)去幾年中投資了數(shù)百萬(wàn)歐元。

采用HP設(shè)備制造的大眾汽車(chē)檔桿

此外，該公司還與西門(mén)子建立了軟件合作伙伴關(guān)系，并擴(kuò)大了與惠普的合作?；萜仗峁┧璧恼辰Y(jié)劑噴射金屬3D打印機(jī)，西門(mén)子提供增材制造專(zhuān)用軟件。西門(mén)子和大眾聯(lián)合開(kāi)展的一項(xiàng)關(guān)鍵研究是優(yōu)化構(gòu)建室中組件的擺放，可以在每次打印過(guò)程中生產(chǎn)的零件數(shù)量提高了兩倍。他們希望通過(guò)積累經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)哪些組件可以在未來(lái)經(jīng)濟(jì)快速的生產(chǎn)，或者增材制造如何支持大眾汽車(chē)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

采用HP設(shè)備制造的T-Roc敞篷車(chē)A柱組件

大眾汽車(chē)沃爾夫斯堡工廠的目標(biāo)是到2025年每年通過(guò)3D打印生產(chǎn)多達(dá)10萬(wàn)個(gè)組件。使用粘結(jié)劑噴射工藝制造的第一批組件——用于T-Roc敞篷車(chē)A柱組件，已進(jìn)行認(rèn)證。這些部件的重量比由鋼板制成的傳統(tǒng)部件輕了近50%，僅僅是這種質(zhì)量上的減少就已經(jīng)使制造商對(duì)這種工藝特別感興趣。到目前為止，大批量生產(chǎn)的成本效益還不夠。然而，新技術(shù)和相互間的協(xié)作已經(jīng)體現(xiàn)出生產(chǎn)線在經(jīng)濟(jì)上的可行性。

03福特汽車(chē)——布局粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)

福特汽車(chē)對(duì)于3D打印技術(shù)的最新進(jìn)展實(shí)際上更新非常緩慢。2018年3月，福特領(lǐng)投Desktop Metal 6500萬(wàn)美元，該公司高級(jí)工程副總裁兼首席技術(shù)官Ken Washington博士在當(dāng)時(shí)被任命為Desktop Metal董事會(huì)成員。當(dāng)年年底，投資4500萬(wàn)美元開(kāi)設(shè)先進(jìn)制造中心，配備了大量、多種類(lèi)型的3D打印機(jī)。

2020年，福特購(gòu)買(mǎi)Desktop Metal的P-1粘結(jié)劑噴射金屬3D打印機(jī)。這臺(tái)設(shè)備的打印尺寸只有200 x 100 x 40mm，正如福特汽車(chē)研究與技術(shù)總監(jiān)所提到的，購(gòu)買(mǎi)它的原因更多是為了嘗試這項(xiàng)技術(shù)，為未來(lái)采用其進(jìn)行生產(chǎn)做準(zhǔn)備。

Desktop Metal P-1粘結(jié)劑噴射金屬3D打印機(jī)

2021年，福特與當(dāng)時(shí)尚在的Exone公司宣布突破6061鋁合金粘結(jié)劑噴射金屬3D打印成形。在由福特和ExOne共同創(chuàng)立的項(xiàng)目中，由工程師、材料科學(xué)家和制造專(zhuān)家組成的團(tuán)隊(duì)共同開(kāi)發(fā)了這種用于鋁材的快速可靠粘結(jié)劑噴射3D打印和燒結(jié)的工藝，可提供與壓鑄可比的性能，燒結(jié)件的密度可達(dá)到99％。福特公司增材制造技術(shù)負(fù)責(zé)人表示，“這是汽車(chē)工業(yè)生產(chǎn)3D打印和燒結(jié)零件的一個(gè)突破。雖然3D打印工藝與沖壓車(chē)身面板有很大不同，但我們現(xiàn)在更加了解鋁合金的性能，以及鋁在輕量化車(chē)輛中的價(jià)值。高速鋁合金3D打印為我們剛剛開(kāi)始關(guān)注的其他應(yīng)用鋪平了道路，因?yàn)樗軌蛴娩X制作以前不可能的復(fù)雜零件?！?

福特和ExOne共同開(kāi)發(fā)了鋁合金粘結(jié)劑噴射3D打印和燒結(jié)工藝

福特與ExOne的聯(lián)合開(kāi)發(fā)項(xiàng)目于2019年就已啟動(dòng)，福特領(lǐng)導(dǎo)了最終的材料和可重復(fù)性測(cè)試，以驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。而通過(guò)福特對(duì)當(dāng)時(shí)兩家粘結(jié)劑噴射金屬3D打印領(lǐng)導(dǎo)者的投資或合作，可以看出這家汽車(chē)公司正在積極布局這項(xiàng)技術(shù)。相信不久之后，會(huì)有比較突出的應(yīng)用。

04通用汽車(chē)——應(yīng)用粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)

3D打印服務(wù)商Azoth于2021年7月發(fā)布消息稱(chēng)，其正在采用Digital Metal的粘結(jié)劑噴射金屬3D打印機(jī)為通用汽車(chē)旗下2022新款凱迪拉克V系列BLACKWING車(chē)型制造手動(dòng)換檔旋鈕，這是車(chē)輛上的幾個(gè)3D打印部件之一。這個(gè)零件具有裝飾性，但它具有只能通過(guò)3D打印制作的幾何形狀，背面設(shè)計(jì)用于散熱，正面具有無(wú)法加工的底切。該零件之所以引人注目，是因?yàn)樗ㄟ^(guò)了3級(jí)生產(chǎn)零件批準(zhǔn)程序。

Azoth的聯(lián)合創(chuàng)始人兼總經(jīng)理認(rèn)為粘結(jié)劑噴射將是一項(xiàng)非常具有顛覆性的技術(shù)，能夠達(dá)到汽車(chē)生產(chǎn)所需的速度和質(zhì)量水平，制造商正在努力提高零件產(chǎn)量。在通用汽車(chē)上使用該技術(shù)，證明了粘結(jié)劑噴射金屬3D打印具有成本效益。

05展望未來(lái)——優(yōu)勢(shì)與不足

粘結(jié)劑噴射金屬3D打印能夠以高速、低成本、無(wú)模制造實(shí)現(xiàn)中小批量生產(chǎn)，同時(shí)采用大型設(shè)備則可以過(guò)渡到大規(guī)模生產(chǎn)。相對(duì)于粉末床激光熔融金屬3D打印，其成本更低、吞吐量更高；相對(duì)于傳統(tǒng)的注射成形，其無(wú)需模具。在當(dāng)零件制造數(shù)量處于某一個(gè)區(qū)間時(shí)，粘結(jié)劑噴射金屬3D打印是具有成本效益的選擇。

然而該技術(shù)也有缺點(diǎn)。正如3D打印服務(wù)商Azoth所提到的，粉末清理為該工藝的實(shí)施帶來(lái)了很大不便，該環(huán)節(jié)占用了很大的勞動(dòng)力成本，特別是在復(fù)雜零件或有很多內(nèi)部特征結(jié)構(gòu)時(shí)。在該處理過(guò)程中，操作人員需要用小刷子或壓縮空氣進(jìn)行清理粉末。但此階段的零件非常脆弱，非常容易損壞。

燒結(jié)也是該工藝面臨的巨大挑戰(zhàn)。一是成本，一臺(tái)燒結(jié)爐的費(fèi)用可能比一臺(tái)小型打印機(jī)的成本要高的多，這是許多研究人員和設(shè)計(jì)公司難以接受的。尋求外部服務(wù)商是解決問(wèn)題的方式之一，但需要注意的是，脆弱的零件質(zhì)量在尋求外部服務(wù)時(shí)也存在不確定性。二是變形，基于燒結(jié)的間接3D打印均面臨零件變形的問(wèn)題，主流的設(shè)備商當(dāng)前通過(guò)仿真和零件預(yù)變形的來(lái)克服，但在實(shí)際的生產(chǎn)中可能需要嘗試多次以確定形狀。

福特汽車(chē)公司增材制造技術(shù)負(fù)責(zé)人表示，對(duì)于大多數(shù)增材制造技術(shù)，瓶頸是機(jī)器，但對(duì)于粘結(jié)劑噴射工藝不是這種情況，后處理是其最大的限制因素。盡管如此，它仍然是一項(xiàng)重要的技術(shù)。它可以擴(kuò)展到生產(chǎn)量，過(guò)程本身非常靈活，而且零件質(zhì)量很好。

展望未來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)號(hào)稱(chēng)能夠?qū)崿F(xiàn)金屬3D打印低成本、批量化生產(chǎn)且擁有高于其他3D打印技術(shù)數(shù)十倍工作效率的工藝，有望成為取代傳統(tǒng)制造方法的領(lǐng)先金屬3D打印零件工藝。雖然該工藝目前還不是主導(dǎo)技術(shù)，但它是增長(zhǎng)最快的技術(shù)之一。

注：本文內(nèi)容由3D打印技術(shù)參考創(chuàng)作。