深度透视金属粘结剂喷射金属3D打印材料与应用发展

2021-12-23 09:25啸云3D打印
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根据市场观察,粘结剂喷射金属3D打印技术的发展正在以不可思议的方式改变业界对这项技术先入为主的认知。一个典型的案例是Kueppers Solutions 宣布与GKN 增材制造合作通过3D打印技术生产混合器,进行工业燃烧器系统的升级,虽然现阶段双方应用的量产技术为粉末床选区激光熔化,但下一代混合器或将通过金属粘结剂喷射技术生产。

那么粘结剂喷射技术发展的技术逻辑是什么呢?此前,曾分享过《粘结剂喷射金属3D打印技术的后处理挑战》,本期,从粘结剂喷射金属3D打印材料与应用的角度,一起来进一步领略这项技术的发展逻辑。

丰富多样的金属材料

金属3D打印领域,以Binder Jetting-粘结剂喷射金属3D打印技术为代表的间接金属3D打印以高速,低成本获得了业界的高度关注。

根据全球市场研究合作伙伴AMPOWER,到2025年,AMPOWER预计粉末床系统的市场份额将减少,例如金属中的粘接剂喷射(BJT)将加速上升。 ▲不同类型的金属3D打印技术市场份额(2020年,2025年-预测)

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粘结剂喷射金属3D打印技术,从生产效率、经济性的角度看充分的满足了面向量产的应用。

▲粘结剂喷射3D打印材料

而可打印材料的丰富多样(从金属到陶瓷,金属与金属的复合材料,陶瓷与金属的复合材料...),使得粘结剂喷射这项技术的适用场景获得了进一步的延伸。

▲不同金属材料的市场消耗量(2020年,2025年-预测)(单位:吨)

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/不锈钢

不锈钢的应用领域非常广泛,广泛应用于汽车、航空、机械、建筑、家电、厨房用具等多个领域。随着下游产业的高速发展,带动全球不锈钢市场快速发展。近年来全球不锈钢的产量逐年增加,2019年全球不锈钢粗钢产量达5221.8万吨,较2018年增加了148.8万吨,同比增长2.93%,2020年受新冠肺炎疫情影响,全球不锈钢粗钢产量有所下滑,2020年全球不锈钢粗钢产量为5089.2万吨,较2019年减少了132.6万吨,同比减少2.54%。

关于不锈钢的3D打印,针对市场上对于粘结剂喷射技术能够实现的疲劳性能方面的质疑,根据3D科学谷的了解,南洋理工发表的《Fatigue Strength of additively manufacured 316L austenitic stainless steel》一文,做过关于增材制造316L不锈钢的疲劳性能研究,揭示了粘结剂喷射BJP和激光熔化DMLS 3D打印的竞合关系。

根据测试,BJP粘结剂喷射制造的合金塑性变形的早期阶段普遍存在的平面滑移,以及其他微结构因素的结合,导致在准静态和循环载荷下阻止了在孔角处成核的小裂纹;结果,延展性和疲劳强度都不会受到BJP合金中孔隙率的不利影响。在DMLS 3D打印合金中,蜂窝结构大大提高了屈服强度,柱状晶粒太细,取向差不够大、晶粒也不够粗大从而不足以止裂。

总的来说,BJP和DMLS 3D打印316L不锈钢均具有强大的加工硬化能力,赋予了它们极大的延展性。DMLS 3D打印合金具有较高的屈服强度,但位错在塑性变形开始时就发生交滑移,从而缩短了加工硬化过程,从而影响了延展性。这一研究成果可以指导增材制造合金的设计:BJP的较高孔隙率并不对高周疲劳性能造成不利影响,但它降低了屈服强度。因此,降低孔隙率基本上可以提升BJP零件的屈服强度。对于DMLS 3D打印试样,很明显,应将熔合不足的孔减少到最低限度(如果不能完全消除的话),以减少整体孔隙率,进而提高疲劳强度。

根据市场了解,目前适合粘结剂金属3D打印的钢材料包括:17-4PH不锈钢、304L不锈钢、316L不锈钢、M2工具钢、H13工具钢,还包括4140不锈钢、420不锈钢、4340不锈钢、4605不锈钢等在开发的材料。

l案例

一个典型的产业化案例是高尔夫球杆行业创新领导品牌Cobra Golf 于2020年11月19日推出的首款采用惠普3D打印技术生产的创新高尔夫推杆产品KING Supersport-35 。这款限量新品由来自Cobra、惠普及Paramatech的工程师历时两年共同打造,采用网格结构的全3D打印金属机身,可优化重量分配,提高刀背型推杆的惯性力矩 (MOI)。这款新品还配备了由SIK Golf参与设计的嵌入杆面,让每一次挥杆动作更为精准和连贯。

惠普 Metal Jet 3D 打印技术生产出的部件品质优秀,后期修整需求小。整个杆体使用 316 不锈钢材料打印而成,通过高温烧结粘合金属,制成杆头。得益于Metal Jet技术 的精细工艺,工程师能够在推杆内部设计复杂多样的网格结构,使杆体的手感产生微妙变化,并优化杆头内重量的分布,无需额外的固定重量,便可实现高 MOI。推杆杆面使用 CNC 数控机床进行精密铣削,精准塑型呈现每一处微妙细节,最后实现优秀外观表现。KING Supersport-35 采用高 MOI 和跟趾平衡设计,大幅提高稳定性,而管状颈部凹槽搭配 35 度趾部摆动,满足轻微弧线推球的需求。

/铝合金

根据国际铝业协会、智研咨询,随着节能减排的需求及国家环保政策逐渐加严,汽车轻量化成为世界汽车发展的潮流。由于铝合金具有减重效果好、安全性能好等突出优点,成为汽车轻量化目标的主要应用材料。轻量化要求越来越高,对铝合金需求量也随之增大,2020年,铝合金占据汽车轻量化市场近65%。

▲轻量化-点阵结构

目前铸造铝合金约占汽车用铝量的77%,可用于制造发动机零部件、壳体类零件和底盘上的其他零件。根据国际铝业协会数据:中国汽车单车铝铸件需求量将由2016年的86千克增加至2030年的130千克。

2018年中国汽车铝铸件需求量为250.3万吨,2019年中国汽车铝铸件需求量为234.1万吨;2020年中国汽车铝铸件需求量为234.6万吨。

在金属3D打印工艺中,PBF(包括SLM/DMLS,EBM工艺)粉末床熔化金属3D打印是铝合金更为理想的加工工艺 ,而基于粘结剂喷射(Binder Jetting)的间接金属3D打印工艺,由于后处理热加工过程容易导致铝合金燃烧,在铝合金的加工方面目前不具备优势。

但随着各种制造技术的交叉结合发展,通过粘结剂喷射间接金属3D打印工艺实现铝合金零部件增材制造具有了更高可行性。

ExOne 在 2021年3 月份宣布已开始成功地开始使用粘结剂喷射打印和烧结 6061 铝,通过粘结剂喷射打印和连续烧结的结合,可以制造 99% 的高密度的铝合金零件,突破传统的材料特性和实现严格的几何控制,这是几十年来的一个突破。

 ▲烧结助剂提高铝合金零件性能

根据了解,这其中Abbott的连续烧结炉在倡导优化 Al 6061 粘合剂喷射技术,并使其更适合生产的新方法方面发挥了关键支持作用。而连续烧结工艺与BJT-粘结剂喷射金属3D打印技术的成功结合,将带来AL 6061 以重要的方式改变制造业的局面,尤其是对汽车、航空航天和其他行业的改变,实现更轻量化的铝零件制造,同时满足经济性和产品质量一致性的要求。

不仅仅是exone获得了突破。Desktop Metal和Uniformity Labs也已开发出一种用于Desktop Metal生产系统的完全致密且可烧结的6061铝材料。这种6061铝材料与水基粘合剂兼容,并且具有比其他市售6061更高的最低着火能量铝粉的安全性得到了改善。

全球铝铸件市场每年超过500亿美元,而通过粘结剂喷射增材制造解决方案颠覆铸造市场的时机已经成熟。在粘结剂喷射中引入轻质金属为各种行业的各种热管理和结构件应用打开了大门,这项铝合金材料的创新是采用批量生产的3D打印铝制零件的关键一步。

l案例

2021年福特宣布计划规模化汽车制造对3D打印的采用,福特之前在 3D 打印生产方面取得了一定程度的成功,不过当时涉及较低的产量——针对利基市场的车辆的数量较少。根据3D科学谷的了解,福特现在的想法远不止于小批量的3D打印生产应用。福特正在开发的部件将用于福特汽车“非常受欢迎的车型”的全面生产。

福特用于粘结剂喷射和烧结具有挑战性的金属粉末是铝 6061。这一发展是福特工程师和材料科学家与粘结剂喷射技术供应商 ExOne 合作的结果。而成功将铝应用于汽车零件的3D打印生产的意义是重大的:从传统制造工艺到3D打印工艺的转变将通过简化设计来减轻重量、节省空间、提高零件性能以及节省成本和时间。

/铜合金

铜合金(copper alloy)以纯铜为基体加入一种或几种其他元素所构成的合金。纯铜呈紫红色,又称紫铜。常用的铜合金分为黄铜、青铜、白铜三大类。

纯铜及铜合金由于极好的导电、导热、耐腐蚀性及韧性等特点,被广泛应用于电力、散热、管道、装饰等领域,有的铜合金材料因具有良好的导电、导热性和较高强度,被广泛应用于制造航空、航天发动机燃烧室部件。但是随着应用端对于复杂结构零部件的需求增多,传统加工工艺已逐渐无法满足需求。3D打印技术具有可成形复杂结构零部件,材料利用率高,无需模具等优点,该技术在制备复杂功能集成的纯铜或铜合金散热器与热交换器、尾喷管、电机绕组等零部件方面具有巨大的应用潜力。

粘结剂喷射金属3D打印方面,当前适合的铜合金材料包括:316青铜、420青铜、钨青铜等。

l案例

根据市场观察,电动汽车的电动机定子绕组的开发通常是众所周知的瓶颈,3D打印几乎无需模具就可以避免这种开发障碍。由于传统的生产涉及复杂的弯曲和焊接过程,3D打印带来的时间节省尤其是在所谓的发夹式绕组上得到了回报。

让铜的填充率更高,3D打印在这方面具备独特的优势。在这方面,市场上熟知的L-PBF选区激光金属熔化3D打印技术以及Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术是目前最为主的应用技术

其中,粘结剂喷射金属3D打印技术方面,ExOne与创新电机公司Maxxwell合作研发生产电机铜线圈绕组,改变一百多年来的电机线圈设计思路。传统工艺的铜丝或者铜片,在狭小的电机定子、转子空间内很难展现最优设计,3D打印将带来一定的改变。

不仅仅是电机绕组,粘结剂金属3D打印还适合制造铜散热器、电触头、电子封装片等等高附加值零件。

/高温金属

适合粘结剂喷射3D打印的高温金属包括Inconel625、钛合金、钨合金以及在开发中的哈氏合金230、Inconel 718、钨、TZM钼(钼钛锆合金)等。

其中,IN625 是一种镍铬高温合金,具有高强度、抗腐蚀和抗氧化性、具有出色的可焊性以及承受载荷部件的极端高温的能力。IN625 是一种广泛用于高温航空航天应用的关键材料,同时其在一系列温度和压力下的耐腐蚀性也使其成为船舶、发电和化学加工应用的绝佳选择。

《3D打印高温合金白皮书》

l案例

根据市场观察,2021 年 10 月 14 日,大规模生产和增材制造解决方案商Desktop Metal宣布已批准将镍基合金IN625 (IN625)用于其制造系统(Production System)平台,该平台利用正在申请专利的 Single Pass JettingTM (SPJ) 技术旨在实现金属增材制造行业的快速构建速度。

根据3D科学谷的了解,镍基合金可以用于阀芯的制造,传统的铸造阀芯的过程中存在铸造气孔、夹砂和杂质等缺陷挑战,造成阀芯外壁的裂纹和微孔,使得阀芯的生产率低、合格率低。同时砂型铸造精度低及泥芯偏置,导致铸造阀芯的壁厚严重不均匀及加工余量很大,后期CNC机加工的过程中材料消耗多。

借助粘结剂喷射3D打印技术,每个液压阀芯都可以作为单个零件而不是多个组件进行整合和打印,由于无需用户输入即可一次打印数千个,从而显着降低了装配劳动力成本。

 ▲粘结剂喷射金属3D打印液压阀芯

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▲粘结剂喷射金属3D打印液压阀芯

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除了液压阀芯,适合粘结剂喷射3D打印IN625镍铬高温合金的应用场景很多,根据3D科学谷的了解,包括如下:

 ▲粘结剂喷射金属3D打印燃烧器壳体

 ▲粘结剂喷射金属3D打印燃烧器壳体


-涡轮叶片

涡轮叶片是航空航天工业燃气轮机或蒸汽轮机中使用的关键部件。由于其复杂的几何形状,包括优化空气动力学的有机曲线和确保叶片保持最佳温度的复杂冷却通道,这些叶片是批量生产中最具挑战性的部件之一。根据3D科学谷的了解,目前Desktop Metal的生产系统可以 3D 打印此类几何形状,否则使用传统制造方法进行生产将具有挑战性,并且需要先进的铸造和机械加工技术。IN625 是这些叶片的理想材料,因为它具有高拉伸、蠕变和断裂强度、疲劳和热疲劳强度以及耐腐蚀性。

- 阀体

阀塞用于调节化学加工环境中的强腐蚀性流体,在这些环境中,IN625 在一定温度范围内的耐腐蚀性使 IN625 成为绝佳的材料选择。传统上,这些零件将使用铸造生产,然后是为了得到关键尺寸精度的CNC后加工步骤。由于 IN625 是一种难以加工的材料,并且零件具有复杂的几何形状和有机曲线,因此传统的制造工艺将非常昂贵,而且模具交货时间长。根据3D科学谷的了解,目前Desktop Metal的生产系统可以按需生产多种配置的阀体,而无需为每种配置配备独特、昂贵的铸造工具,从而大大降低了生产成本。

-内部燃烧区零件

飞机发动机中使用的燃烧区零件通常具有极其复杂的几何形状,这超出了大多数机加工车间的能力,并且需要多种加工设置和高级 CAM 编程。根据了解,目前使用Desktop Metal的生产系统,该部件无需任何模具即可打印成近净形状,并且只需最少的加工设置即可在短短几个小时内修改关键的内部尺寸。此外,由于该燃烧部件在燃烧阶段承受极高的力和温度,因此 IN625 是理想的材料选择,因为它在这些环境中具有令人难以置信的材料特性。

- 四通阀壳

发电厂中用于处理腐蚀性流体的阀体通常具有复杂的内部特征,这使得它们难以或不可能使用传统制造工艺作为单个组件进行制造。IN625 是这些外壳的关键材料,因为它具有耐用性和耐腐蚀性。根据了解,目前Desktop Metal的生产系统的SPJ 技术喷射使得该组件可实现结构一体化,减少零件数量、组装劳动时间和生产外壳的成本。

/ 难熔合金

难熔合金方面,粘结剂喷射技术可以用来制造钼电推、铪燃烧器、钨铜尾喷管、钨光栅、准直器、刀具等形状复杂的产品。

根据市场研究,国际上,钨粉制造商GTP 正在推进两种钨合金粉末的研发,与以往涉及到的钨合金3D打印粉末所不同的是,这两种钨合金材料正是用于粘结剂喷射这一间接金属3D打印技术。

关于粘结剂喷射技术在陶瓷,复合材料方面的应用,3D科学谷将在下一期的谷透视栏目中通过《陶瓷、复合材料,深度透视粘结剂喷射3D打印技术的材料与应用发展》一文中分享。


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