惠普HP推出商业化粘结剂喷射金属3D打印机Metal Jet S100

3D打印资讯
2022
09/13
08:30
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南极熊导读:在IMTS2022展会上,惠普首次推出Metal Jet S100粘合剂喷射3D打印系统,意图展示其大规模生产金属增材制造(AM)零件的能力以及商业可用性。目前,HP Metal Jet S100使用两种不锈钢粉末:HP Metal Jet SS 316L和HP Metal Jet SS 17-4PH(工艺参数据说可达到MPIF 35的特性)。惠普称,其他材料也已经过评估,可以针对特定应用和特性进行开发。

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△HP Metal Jet技术发展

南极熊获悉,粘合剂喷射巨头之一的美国惠普公司于本周(9月12日-19日)在芝加哥举办的2022年国际制​​造技术展(IMTS) 上正式推出Metal Jet S100金属粘合剂喷射3D打印机。Metal Jet S100专为增材制造零件的大规模生产而设计,可提供大批量生产能力。S100采用模块化解决方案,使构建单元能够在四个不同的工作站之间转移,这意味着用户可以持续进行大规模生产。惠普期待利用这项技术为客户带来业务优势,帮助他们实现业务转型目标。

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△S100队列,后墙上有辅助装置。图片由惠普提供

惠普公司3D金属全球负责人兼总经理Ramon Pastor称,自2018年宣布Metal Jet技术以来,惠普一直致力于开发业界最先进的3D金属大规模生产商业解决方案。3D打印金属零件是数字化转型的关键驱动力,新的Metal Jet S100能够为客户提供世界一流的金属产品,从最初的设计到生产,帮助他们释放数字制造的无限潜力。

Metal Jet S100

S100具有430 x 309 x 200毫米的构建体积,粘合剂喷射层厚度范围为35至140 微米。双打印条打印头系统拥有63,360个喷嘴,可在1200 dpi 分辨率下提供四倍打印冗余,并具有自动喷嘴健康检测功能。S100可以提供高达1990 cm3/hr的构建速度。整套系统包括四个“站”:Metal Jet S100粉末管理站、HP Metal Jet S100打印机、HP Metal Jet S100固化站和HP Metal Jet S100除粉站。与基于激光的金属AM工艺相比,生产率有望提高10倍。打印机使用惠普热喷墨打印头,据说可以显着提高打印速度、部件质量和可重复性,而使用的粘合剂利用惠普的乳胶化学物质来制造更坚固的绿色部件,无需脱胶,更坚固的环保零件,其质量可达到工业生产级别。

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△整个Metal Jet工作流程从HP Metal Jet S100粉末管理站开始,它“根据用户定义的打印作业和自定义参数自动混合、筛分和加载金属粉末到构建单元中”。在打印机本身进行实际打印,然后在固化站固化作业,之后手动插入粉末去除站,“自动去除和回收松散粉末以实现 100% 的可重复使用性,同时执行构建单元打扫。” 图片由惠普提供。

HP Metal Jet 技术的特色优势包括:
• 创新设计:全新几何形状、密度控制及轻量化整合金属部件的设计突破了 3D 打印的可能性。
• 简化流程,降低成本:新方案简化了制造零件所需的流程,降低了人力劳动或复杂要求带来的成本,从而提高了整个供应链的生产效率。
• 提升生产力:粘合剂喷射成形技术(Binder Jetting)允许逐层处理,将生产力提高了十倍。各向同性(Isotropic properties) 的特性不需要后续处理和去除支撑,金属粉末也比基于激光的 3D 打印粉末更节约成本。
• 更高的分辨率以提高零件质量:惠普打印头集成数十年的工业热喷墨技术,在定义几何形状时,提供高分辨率和高系统稳定性,使大规模 3D 金属零件商业制造成为现实。


工作原理是这样的:在打印之前,粉末管理站会根据用户定义的打印作业和自定义参数自动混合、筛分和装载金属粉末到构建单元中。打印和固化完成后,将构建单元手动插入S100除粉站,自动清除和回收松散粉末,实现100%的可重复使用性,同时执行构建单元清洁。对于残留在打印部件上的细粉,粉末去除站配备了单独的真空附件,用于手动去除细粉。所有回收的粉末被气动回收到粉末管理站的便携式罐中储存,然后重新引入粉末管理站。值得注意的是,除粉站可将自动除粉作为工作流程中的一个集成步骤,并可针对不同应用的特定需求进行定制。用于粘合剂喷射(BJT)工作流程最后阶段的烧结设备可从第三方供应商处获得。

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△整套系统包括四个“站”:Metal Jet S100粉末管理站、HP Metal Jet S100打印机、HP Metal Jet S100固化站和HP Metal Jet S100除粉站。

HP Metal Jet S100 提供的软件解决方案包括HP Metal Jet Command Center(一个用于系统设置、注册、设备监控和连接管理的客户端/服务器应用程序)、HP Metal Jet API(一种应用程序编程接口,用于简化对设备数据的访问和设备编排,用于流程开发和生产工作流程管理)、以及HP Metal Jet Process Development Suit(提供集成的构建管理、工艺参数编辑、烧结模拟和工艺监控,以减少工艺开发的时间和精力)。此外,HP Metal Jet提供一整套入职、维护和专业服务,包括优化和加速应用程序设计以及开发流程和新材料。打印后,惠普可以帮助满足烧结操作要求,并为每种合格材料推荐参数,或者可以帮助开发这些参数。而且,对于烧结之外的额外精加工,惠普的工程团队提供服务,通过加工、抛光、涂层和热等静压等工艺帮助实现最终部件的性能。


惠普将在 IMTS与Formnext+PM South china展示 其3D 金属量产技术

Michael Lotfy 将于 9 月 15 日美国中部时间上午 8 点 15 分与Ramon Pastor 及惠普全球 3D 金属上市负责人Meaghan Ferris 一道在 IMTS 增材制造会议上发表主题演讲。惠普合作伙伴和客户将介绍他们如何将 3D 打印金属技术运用于大规模生产。您可在 IMTS #433000 的惠普展台上查看最新的 HP Metal Jet S100 解决方案和生产应用介绍。

同时,惠普将于2022年Formnext+PM South China深圳国际增材制造、粉末冶金与先进陶瓷展览会中,举办惠普MetalJet新一代粘结剂喷射技术亚太区正式发布会。敬请期待!

酝酿5年的发展计划

自从惠普推出聚合物增材制造技术Multi Jet Fusion以来,增材制造市场就不一样了。尽管热塑性增材制造的竞争对手并没有消失,事实上,大家的收入与以往似乎并没有什么不同。然而,随着人们对于高生产力和高价值主张技术的追求,整个聚合物增材制造市场却已经在显著扩张了。另外,由于MJF这类粘合剂喷射技术的独特喷涂特点,从塑料跨越至金属领域,似乎也并没有那么困难了。

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△惠普金属喷射技术

惠普在金属3D打印领域扩张的野心早在2017年就开始形成,并在安全分析师会议上公布了大容量喷射系统的计划。从那时起,惠普便开始设计能够使用金属注射成型粉末的金属3D打印机。于是Metal Jet技术于2018 年发布,旨在与金属注射成型(MIM) 材料配合使用,而不是用于激光烧结金属增材制造系统中的球形粉末。根据惠普公司3D打印金属业务的全球负责人Ramon Pastor的说法,这是“一件大事”,因为它使用户能够“将每件成本降低20%至33%”。

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△双打印条打印头

在技术发布的同时,惠普还签署了两项战略合作关系,开始在金属增材制造领域布局。首先,惠普与GKN Powder Metallurgy合作,为大众和威乐等汽车和行业领导者制造功能性金属部件以及3D打印零件,例如换档旋钮和后视镜支架。然后,惠普与Parmatech合作,转向医疗行业,为 OKAY Industries、Primo Medical Group和其他行业专家等客户生产复杂零件,例如内窥镜手术器械。随后,这家美国制造商还借机推出按需3D打印服务Metal Jet Production Service,并在2020年开始独家销售金属增材制造硬件到服务局。

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△惠普机器打印的金属片。

而今天宣布的Metal Jet S100 3D打印机则是作为惠普在全球金属增材制造 (AM) 市场的另一个重要里程碑:首次将粘合剂喷射技术用于商业增材制造市场。HP Metal Jet S100号称能够实现新的几何形状、密度控制和设计,以轻量化或整合金属部件,突破3D打印的可能性。提高客户的经济性:缩短制造零件所需的流程步骤,同时降低人工或复杂性导致的成本,从而提高整个供应链的效率。

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△金属零件

目前,惠普已经与GKN、Parmatech、Cobra Golf、Legor Group和Volkswagen等领先的合作伙伴和客户建立合作。还与世界各地的新合作伙伴和客户合作开发大规模金属生产机会,包括专注于液压系统和阀门的创新工业公司Domin Digital Motion、先进旋转发动机的初创开发商Lumenium和施耐德电气,继续扩张在金属AM领域的版图。

施耐德电气 690V 电源滤波器的新部件采用 HP Metal Jet 技术进行了 3D 打印。由于过滤.jpg
△施耐德电气690V电源滤波器的新部件采用HPMetal Jet技术进行了3D打印。由于过滤器类型的形状复杂,需要增材制造,据说这种过滤器“可以在更有限的空间内减少气体、压力和热影响”,从而带来“显着的生产力提升和经济效益”。图片由GKN提供


此外,考虑到欧洲能源市场的现状,惠普当前将一家欧洲能源集团作为Metal Jet商业推广的重点。 惠普似乎对能源行业有着长期的兴趣,随着伯克希尔∙哈撒韦公司(Berkshire Hathaway)在过去一年对惠普和石油和天然气行业的投资,这种兴趣可能会产生新的方向。

金属粘合剂喷射领域大战开始

在过去的十年中,制造业发生了翻天覆地的变化。制造业现在正处于第四次工业革命的早期阶段,得益于3D打印的加速发展及其加速设计、改进工艺开发的能力,在行业中率先实现了真正的规模经济。然而,对于金属AM制造领域,可能是另一个故事。尽管激光束粉末床熔合技术已经能够做到金属3D打印规模化生产,但是因为技术、材料、能源等限制,对于大多数用户而言始终存在着技术壁垒。

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ExOne创始人LarryRhoades,以及世界上第一台金属粘合剂喷射3D打印机ProMetal RTS-300

随后,越来越多的制造商把注意力放在了金属粘合剂喷射这条赛道上。尽管这项技术的前景似乎较之前者更为美好,但是过程却异常艰辛。南极熊曾在2021年4月中阐述了观点:粘合剂喷射金属3D打印技术产业化,是一场持久战。而随着之后行业的一系列整合,以及今年Metal Jet S100的出现,整条赛道的火药味似乎更加浓烈了。

惠普与施耐德电气和 GKN 合作生产了一种用于施耐德电气 NSX 断路器的新过滤器。该过滤.jpg
△惠普与施耐德电气和 GKN 合作生产了一种用于施耐德电气NSX 断路器的新过滤器。该过滤器是使用HP Metal Jet 技术生产的(由Schneider Electric提供)

金属粘合剂喷射已经存在多年。基于最初在麻省理工学院开发的专利,金属粘合剂喷射一般主要由美国公司开发和销售,这些公司希望将金属增材制造规模扩大到大规模生产,以替代主要由德国驱动的金属粉末床融合方法。目前,有多家公司要么已经在营销这项技术,要么正在准备这样做。

△热发泡式3D打印.jpg
△热发泡式3D打印

除了惠普之外,有能力在全球金属粘合剂领域建立市场主导地位的还有三个主要竞争对手。Desktop Metal是这一领域目前最为成熟的集团,它将内部开发的金属粘合剂喷射技术与金属粘合剂喷射发明者Eli Sachs的贡献相结合,还吸收了金属粘合剂喷射市场领导者ExOne的技术(ExOne于2021年8月被收购,详情请参考:粘结剂喷射3D打印技术大整合:Desktop Metal将收购ExOne)。几年来,ExOne 是市场上唯一一家拥有商用金属粘合剂喷射系统的公司。而这也变相使得Desktop Metal集团在这一领域市场上占有着重要地位。

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△Desktop Metal收购ExOne

第二个竞争对手Markforged集团也起源于大波士顿地区,这两家公司的结构非常相似,Markforged也是Desktop Metal在金属丝熔融沉积领域的直接竞争对手。两家公司都率先并帮助建立了这一领域,都通过SPAC上市筹集大量资金,并且都进行了重大收购以加速金属粘合剂喷射业务的发展。Markforged从Hoganas集团收购了瑞典公司Digital Metal(详情请见:Markforged以4000万美元收购Digital Metal,将规模量产高质量金属3D打印部件)。与ExOne一样,Digital Metal多年来一直提供金属粘合剂喷射服务。只不过ExOne专注于大型金属原型和工具,而Digital Metal则专注于大批量的小型精密零件。尽管这几年来Digital Metal仅将其技术作为服务提供,并且在2019年才开始营销系统。这仍然意味着Markforged和Desktop Metal已经在全球市场上出现了同类的商业产品。

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△Markforged收购Digital Metal,将为未来发工业化发展奠定基础

相比前两家公司,第三个竞争对手GE Additive似乎稍稍落后。这家公司于2016年通过高调收购EBM公司Arcam和激光PBF公司Concept Laser进入金属AM市场,预计还将推出商用金属粘合剂喷射系统,目前称为H2,并已展示某些汽车生产应用在测试版客户中的可行性。

当然,还有其他具有类似技术的潜在竞争对手,例如总部位于加利福尼亚州的3DEO,这家公司通过内部开发的系统积极大规模生产低成本零件。不过目前,在全球范围内,MBJ硬件之战将主要在这四家公司之间展开。

惠普的破局法宝?

不同于竞争对手的收购手段,惠普的战略还是从自家技术开始的。似乎想要复制在聚合物3D打印领域的成功经验,它的战略针对了整个制造业并与其他制造技术竞争更大的蛋糕,而不是其他金属3D打印工艺。正如现任惠普全球负责人兼总经理Ramon Pastor(以及MJF和Metal Jet上市计划背后的人)所解释的那样,惠普将利用MetalJet 作为从手动装配过渡到数字装配的一种手段,减少对劳动力的依赖,同时解决供应链相关的挑战,这两者都是这个特定时期非常紧迫的问题。此外,金属粘合剂喷射作为不需要支撑的3D打印工艺,可使工程师充分利用增材制造在复杂几何形状和定制子组件方面的几何优势。与减材和成型工艺相比,环境影响更小。这对劳动力成本很高的西方市场似乎更为重要,能够将大部分人从体力劳动中转移出来,还能有效地重新分配资源。

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△与GKN合作,施耐德电气690-V电源滤波器的新组件采用HP Metal Jet技术生产,由于这些类型的滤波器形状复杂,其他工业制造能力无法实现这一目标。照片由施耐德电气提供。

此外,惠普似乎对Metal Jet的实际3D打印过程具有更大的自信。作为数字印刷工艺全球领导者,与传统金属制造工艺相比,惠普的独特地位能够在某些特定的几何形状产品中推动客户价值。与其他金属3D打印工艺相比,Metal Jet在构建阶段能够提供高达十倍的生产力水平。另外,金属粘合剂喷射可以使用许多MIM(金属注射成型)工艺相同的粉末,这可以缩短新材料合格的时间要求。惠普期望能够利用的第三个优势基于其在工业热喷墨打印技术开发方面长达数十年的经验,这意味着能够依靠市场上最高效的打印头(1200 dpi、4倍喷嘴冗余、高级错误检测、高速校准、易于更换)和最有效的粘合剂。HP的乳胶粘合剂的特点是长聚合物链紧密堆积成为颗粒并分散在液相中。这使得成品低残留碳、低温固化以及实现更高的精度、光洁度质量和生坯强度。

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△乳胶粘合剂

端到端的Metal Jet工作流程是最具挑战性的,因为它超越了打印本身,对于将金属3D打印扩展到大规模生产至关重要。似乎从MJF技术中吸取了许多经验教训,HP推出了S100 Metal Jet系统以及品牌专用机器,用于粉末管理、固化和粉末去除。粉末混合和筛分单元支持多台打印机,通过有效混合和控制新鲜材料的添加以及自动将粉末加载到构建单元来提高工艺经济性。除粉装置还改善了工艺和劳动经济性,同时营造了一个清洁安全的工作环境。可以添加多个单元以提高生产率。这比其他同类产品更具一定的优势。

Multi Jet Fusion基于 Powder Bed Fusion 3D 打印技术,旨在使用塑料制造零件和功能原型。.png
△Multi Jet Fusion基于Powder Bed Fusion 3D 打印技术,旨在使用塑料制造零件和功能原型。

惠普目前唯一无法管理的工作流程是烧结阶段,这需要高度专业的知识。因此,惠普正与Elnik系统等专家在烧结方面密切合作。当数字增材批量生产时,或许还将需要更复杂的零件处理和分拣系统,但这可能必须通过诸如AM Flow等公司推出的机器进行下一步探索了。

3D打印商业化的新阶段

根据SmarTech关于“Market for Bound Metal Additive Manufacturing 2022”的报告来看,预计到2030年,整个行业将生产540亿美元的零件。而相较于目前的市场份额而言,收购ExOne的Desktop Metal占首位,其次是收购了Digital Metal的Markforged。GE的技术推广大多基于客户,预计今年可能也会强势推广。

惠普在 3D 打印机制造领域的优势在于其从 2D 打印中吸取的教训。.png
△惠普在 3D 打印机制造领域的优势在于其从 2D 打印中吸取的教训。

因此,惠普的商业化可能需要迅速赶上。凭借大众汽车这样的大客户以及惠普自身的制造影响力,做到这一点是很有可能的,正如它曾经快速占领聚合物3D打印市场一样。另外,惠普在宣布计划5年后的今年推出HP Metal Jet S100可能也是一种挽留老客户并且吸纳新投资的策略,为了来日的大战积蓄实力。

总之,对于3D打印行业有兴趣的小伙伴而言,S100发布后惠普的前几轮收益报告值得关注一下。这不仅对于这一领域投资意义重大,对于金属3D打印公司的未来规划以及明年的行业基调也有着巨大的意义。不可否认的是,3D打印正在进入商业化的新阶段。


参考阅读:
1. 2022 International Manufacturing Technology Show (IMTS)
2. HP Disrupting Traditional Manufacturing with New MetalJet S100 Solution for More Resilient Supply Chain
3. HP Metal Jet S100 3D Printing Solution
4. ExOne:粘合剂喷射金属3D打印技术产业化,是一场持久战
5. HP Metal Jet; HP’s new metal 3D printing technology
6. HP’s Metal Jet S100 3D Printer: The Metal Binder JettingBattle Begins
7. 粘结剂喷射3D打印技术大整合:Desktop Metal将收购ExOne
8. What the HP Metal Jet S100 launch means for the future ofproduction
9. HP LAUNCHES NEW METAL JET S100 3D PRINTER AT IMTS:TECHNICAL SPECIFICATIONS AND PRICING
10. Market for Bound Metal Additive Manufacturing 2022
11. HP Metal Jet; HP’s new metal 3D printing technology
12. 为什么选择粘合剂喷射3D打印技术?听听专家给出的建议
13. Markforged以4000万美元收购Digital Metal,将规模量产高质量金属3D打印部件


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