粘结剂喷射金属3D打印│知名汽车品牌均在挖掘其应用潜力

2022年11月，粘结剂喷射3D打印技术的领导者Desktop Metal宣布获得德国一家主要汽车制造商价值900万美元的粘结剂喷射3D打印系统订单，用于动力总成部件的大批量生产。

Desktop Metal表示已为多个全球汽车品牌提供服务——包括特斯拉、宝马、雷诺、大陆和福特——其中许多品牌使用该公司的技术来3D打印最终用途汽车部件。3D打印技术参考查阅了大量资料，发现已有多家知名品牌汽车制造商正在挖掘粘结剂喷射，尤其是用于金属3D打印的应用潜力。

2021年12月，Desktop Metal宣布获得了德国汽车制造商790万美元的同类订单。尤其值得注意的是，两份合同是同一个买家，订单总价达到了1690万美元（1.2亿人民币）。

这意味着，该汽车制造商对粘结剂喷射技术极为认可，为其带来了显著的成本效益，因此追加投资。考虑到宝马是Desktop Metal通过BMW iVentures的首批投资者之一，大众汽车正在积极与惠普合作，而戴姆勒奔驰已经与EOS合作多年，广泛猜测这家德国企业是宝马汽车。而且3D打印技术参考还在宝马发布的增材制造产业园宣传片中看到了Exone的Innovent X金属打印机，进一步印证了这种可能。这两笔订单也使Desktop Metal成为促使粘结剂喷射技术落地应用、尤其是汽车领域应用的主要推动者。

宝马增材制造产业园中的Exone金属打印机

然而需要指出的是，随着对Exone的收购，Desktop Metal已将前者的砂型粘结剂喷射3D打印技术纳入旗下，后者也并未明确指出两份订单所涉及的系统类型。但新闻稿中一句“to support digitally casted powertrain components for a popular car line”，对于数字铸造的描述似乎有一定的倾向性。而两笔订单所也均提到将用于制造汽车动力总成部件制造。

采用粘结剂喷射金属3D打印技术和SLM技术制造的宝马水泵轮

Desktop Metal目前确实拥有众多类型的3D打印工艺，如砂型、树脂、陶瓷、纤维等，其所提到的众多汽车用户采用的哪种技术无法产生明确的认知。3D打印技术参考进行了包括学术论文在内的广泛查询，发现对该技术的报道或应用公开仍然极少，但本文仍聚焦于金属粘结剂喷射在汽车领域的应用。

采用HP设备制造的大众汽车档杆

此外，该公司还与西门子建立了软件合作伙伴关系，并扩大了与惠普的合作。惠普提供所需的粘结剂喷射金属3D打印机，西门子提供增材制造专用软件。西门子和大众联合开展的一项关键研究是优化构建室中组件的摆放，可以在每次打印过程中生产的零件数量提高了两倍。他们希望通过积累经验，发现哪些组件可以在未来经济快速的生产，或者增材制造如何支持大众汽车实现生产数字化转型。

采用HP设备制造的T-Roc敞篷车A柱组件

大众汽车沃尔夫斯堡工厂的目标是到2025年每年通过3D打印生产多达10万个组件。使用粘结剂喷射工艺制造的第一批组件——用于T-Roc敞篷车A柱组件，已进行认证。这些部件的重量比由钢板制成的传统部件轻了近50%，仅仅是这种质量上的减少就已经使制造商对这种工艺特别感兴趣。到目前为止，大批量生产的成本效益还不够。然而，新技术和相互间的协作已经体现出生产线在经济上的可行性。

福特汽车对于3D打印技术的最新进展实际上更新非常缓慢。2018年3月，福特领投Desktop Metal 6500万美元，该公司高级工程副总裁兼首席技术官Ken Washington博士在当时被任命为Desktop Metal董事会成员。当年年底，投资4500万美元开设先进制造中心，配备了大量、多种类型的3D打印机。

2020年，福特购买Desktop Metal的P-1粘结剂喷射金属3D打印机。这台设备的打印尺寸只有200 x 100 x 40mm，正如福特汽车研究与技术总监所提到的，购买它的原因更多是为了尝试这项技术，为未来采用其进行生产做准备。

Desktop Metal P-1粘结剂喷射金属3D打印机

福特和ExOne共同开发了铝合金粘结剂喷射3D打印和烧结工艺

福特与ExOne的联合开发项目于2019年就已启动，福特领导了最终的材料和可重复性测试，以验证其准确性。而通过福特对当时两家粘结剂喷射金属3D打印领导者的投资或合作，可以看出这家汽车公司正在积极布局这项技术。相信不久之后，会有比较突出的应用。

3D打印服务商Azoth于2021年7月发布消息称，其正在采用Digital Metal的粘结剂喷射金属3D打印机为通用汽车旗下2022新款凯迪拉克V系列BLACKWING车型制造手动换档旋钮，这是车辆上的几个3D打印部件之一。这个零件具有装饰性，但它具有只能通过3D打印制作的几何形状，背面设计用于散热，正面具有无法加工的底切。该零件之所以引人注目，是因为它通过了3级生产零件批准程序。

粘结剂喷射金属3D打印技术制造的手动换档旋钮

Azoth的联合创始人兼总经理认为粘结剂喷射将是一项非常具有颠覆性的技术，能够达到汽车生产所需的速度和质量水平，制造商正在努力提高零件产量。在通用汽车上使用该技术，证明了粘结剂喷射金属3D打印具有成本效益。 

粘结剂喷射金属3D打印能够以高速、低成本、无模制造实现中小批量生产，同时采用大型设备则可以过渡到大规模生产。相对于粉末床激光熔融金属3D打印，其成本更低、吞吐量更高；相对于传统的注射成形，其无需模具。在当零件制造数量处于某一个区间时，粘结剂喷射金属3D打印是具有成本效益的选择。

然而该技术也有缺点。正如3D打印服务商Azoth所提到的，粉末清理为该工艺的实施带来了很大不便，该环节占用了很大的劳动力成本，特别是在复杂零件或有很多内部特征结构时。在该处理过程中，操作人员需要用小刷子或压缩空气进行清理粉末。但此阶段的零件非常脆弱，非常容易损坏。

烧结也是该工艺面临的巨大挑战。一是成本，一台烧结炉的费用可能比一台小型打印机的成本要高的多，这是许多研究人员和设计公司难以接受的。寻求外部服务商是解决问题的方式之一，但需要注意的是，脆弱的零件质量在寻求外部服务时也存在不确定性。二是变形，基于烧结的间接3D打印均面临零件变形的问题，主流的设备商当前通过仿真和零件预变形的来克服，但在实际的生产中可能需要尝试多次以确定形状。

福特汽车公司增材制造技术负责人表示，对于大多数增材制造技术，瓶颈是机器，但对于粘结剂喷射工艺不是这种情况，后处理是其最大的限制因素。尽管如此，它仍然是一项重要的技术。它可以扩展到生产量，过程本身非常灵活，而且零件质量很好。

展望未来，这项技术号称能够实现金属3D打印低成本、批量化生产且拥有高于其他3D打印技术数十倍工作效率的工艺，有望成为取代传统制造方法的领先金属3D打印零件工艺。虽然该工艺目前还不是主导技术，但它是增长最快的技术之一。