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    金屬增材制造的下一個十年

    http://www.b2b.hc360.com 中國金屬加工網 信息來源:Author發布時間:2022年05月19日瀏覽:2917

    機器價格和尺寸、維護成本、生產速度、安全性、材料、冶金和質量,這些只是未來十年推動金屬增材制造發展的部分因素,另外還包括可重復性、后處理和易用性等問題。但有一點很清楚,在金屬增材制造成為真正的主流生產技術前,需要改善的地方還有很多。


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    ■混合AM顯示材料沉積(左)和銑削(右)(由DMG Mori提供)


    定向能量沉積和混合系統

    金屬增材制造面臨的一項挑戰是生產具有嚴格公差和良好表面光潔度的即用型零件。大多數具有嚴格公差的增材制造零件都需要某種形式的加工。具有集成多軸CNC功能的定向能量沉積(DED)機器被許多人稱為混合增材制造設備,為某些類型零件提供了潛在的解決方案。


    這些系統首先通過DED增材制造幾層,然后更換為CNC切削工具以在需要時去除材料和加工表面。然后切換到DED進行額外加工。DED和加工交替進行,直到零件完成。


    混合DED和粉末床融合(PBF)可以直接從機器上生產即用型零件,盡管兩者都需要從構建板上移除零件。零件連接到構建板上的表面可能需要在移除后進行額外加工和精加工。與PBF相比,DED系統的沉積速度較好,但必須考慮加工時間。此外,使用DED通常難以生產小特征、細孔和通道以及晶格結構。


    混合DED系統已經問世多年。DMG Mori于2013年推出混合動力機器,這些機器需要大量的決策和專業知識才能生產出優質零件。用戶通常決定何時從DED切換到切割,然后再切換回DED。此外,加工通常需要在5軸設備上進行,與典型的3軸運動相比,需要更多的編程知識。


    混合DED系統的另一個挑戰是材料在極高溫度下的沉積。加工前,材料必須冷卻。在制造零件時,加熱和冷卻循環會重復多次,從而導致會出現難以預料的冶金結構。


    DED的一個好處是可以使用功能分級材料制造零件。POM Group于2013年被DM3D Technology收購,是最早在生產零件時使用兩種或多種金屬沉積的公司之一。DED機器通過多根管子將粉末沉積到能量束中,每根管子攜帶不同的粉末。機器可以從一種金屬切換到另一種金屬,從而產生功能分級的材料。


    這種方法具有潛力但未經證實,因此也就沒有被行業廣泛采用。部分挑戰是材料可能不相容,從而阻礙了形成良好的冶金性能。在接下來的十年中,隨著用戶和生產者對技術的持續投資,混合DED的許多挑戰將得到克服。


    這可能導致它成為中型和大型增材制造零件的首選工藝。我們可以期待看到成熟制造商改進的工作流程和端到端解決方案。不少公司已經繼續改造現有的CNC設備,而不是從頭開始開發混合DED。隨著工程師對技術理解的提高,他們將改變設計某些類型金屬零件的方法。


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    ■254×254×76mm鉻銅塊上的3.18mm H13鋼表面(由路易斯維爾大學科技增材制造研究所提供)


    金屬粉末床融合

    根據Wohlers Report 2021研究報告,如今PBF是最流行的金屬增材制造工藝。它仍然是一個相對緩慢的工藝,而且近年來大多數機器制造商都致力于創建更快的打印系統,通常是通過添加更多的激光器。除了提高打印速度外,近年來機器制造商的大部分工作都集中在提高零件質量上,部分是通過使用更薄的層來制造零件。


    但是,這可能會導致構建時間變慢。如果層厚不變,在單激光系統中添加激光可以使生產速度提高近一倍。在接下來的十年中,預計PBF系統的打印速度將成為各大企業的研發重點。


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    ■運行中的四激光PBF機器(由EOS提供)


    其他進步將包括智能軟件、更好的控制和更一致的結果。目前,如果有3個用戶為金屬PBF設置相同的部分,但沒有設置協議,他們可能會得到三個不同結果。這是因為用戶在準備構建時必須設置幾個參數。其中包括支撐/錨設計和位置、零件方向和構建參數。將來,軟件工具將建議甚至自主完成大部分設置。這將導致用戶之間更高的打印一致性。


    混合PBF機床例如Matsuura的Lumex系列,集成了PBF和CNC銑削。在構建幾層后,CNC刀具在鋪展下一層粉末前對表面進行加工。預計這種混合工藝將進一步發展,可能會增加用于微加工的激光燒蝕。落入粉末中的機加工碎屑目前是這類系統面臨的挑戰。


    十年后,購買和維護金屬PBF設備的成本有望下降。這將受到市場競爭以及規模經濟的推動。金屬粉末的價格也是如此。Wohlers 2021年報告包括68家金屬PBF系統制造商和60家金屬粉末第三方生產商,反映了當前競爭的公司總體數量。


    粘合劑噴射

    金屬粘合劑噴射(BJT)已經存在多年,ExOne在2000年代初期就推出了相關的商業機型。數年后,Digital Meta向市場提供BJT服務并在2016年開始銷售對應設備。Desktop Metal在2021年第三季度收購ExOne之前提供了生產和車間金屬BJT系統。GE Additive和HP聯合投資開發金屬BJT系統。


    在HP和Desktop Metal進入金屬BJT領域后,對該技術的興趣與日俱增。該工藝的一個吸引人的特點是生產“綠色”零件的速度,這可能使其成為一項有趣的批量生產工藝。挑戰在于BJT需要在熔爐中進行脫脂和燒結作為輔助工藝。燒結過程中零件的收縮率通常在20%范圍內。再加上熔爐中發生的其他變化,可能會產生意想不到的結果。


    當零件較小時,這種不一致性問題不大。但當打印零件超過50-75mm的時候,BJT工藝就不怎么常用了??傮w而言,今天行業對金屬BJT還不是很了解。發生問題時,可能很難確定具體原因,可能是設計、構建過程、構建方向、燒結或其他因素。與傳統制造形式相比,高材料成本也是金屬BJT的一個考慮因素。


    十年后,金屬BJT的許多當前問題可能會得到解決,前提是還有公司繼續投資并看好這項技術。解決方案的一部分將是改進對過程的理解,再加上模擬軟件。其他改進將來自更廣泛的可用粘合劑和材料。這些進步將使汽車行業通過BJT更好地實現產量化。由于金屬PBF速度慢,生產成本相對較高,該行業一直對使用金屬PBF猶豫不決。


    其他發展

    材料擠壓。在接下來十年中,我們將看到教育和研究機構以及業余愛好者和工程師在家工作的金屬材料擠壓(MEX)機器數量有所增加。盡管仍然需要燒結爐,但這些機器的購買和維護成本更低并且更易于使用。預計新的金屬絲會在較低溫度下熔化。


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    ■金屬增材制造工藝監控和熔池分析(Courtesy Flow-3D)


    定制合金。大多數金屬增材制造合金是適用于增材制造的傳統材料。今天只有少數合金,如 Scalmalloy專門用于金屬增材制造。該領域將在未來十年內經歷重大發展。與傳統制造材料相比,市場將出現低成本和性能更好的新合金材料。


    集成模擬和生產軟件。未來十年,集成仿真和生產軟件將有重大發展。軟件將模擬增材制造零件的完整制造過程,包括支撐材料的位置、殘余應力以及由此產生的冶金特性。根據模擬結果,結合更先進的熔池監控,屆時打印設備將自動適應生產質量更高的零件。


    過程監控。期望更先進的原位過程監控系統成為金屬增材制造機器的標準。當在構建過程中檢測到異常時,機器將自動采取糾正措施。這些系統將更充分地集成到機器和設計軟件中。


    結論

    對于大多數產品開發和制造商來說,金屬增材制造仍然相對較新。這項技術已經推出了20年,但直到最近機器制造商每年只售出幾臺機器。根據Wohlers的報告,即使在今天也很少有公司每年銷售的機器超過100臺。目前市面上的金屬增材制造設備的價格仍然相對較高。


    十年后,預計金屬增材制造市場將大不相同。軟件、流程監控和端到端工作流程將得到顯著改善。航空航天、醫療、能源和汽車行業每年可能會購買和運行數千套金屬增材制造系統。行業經驗和專業知識將與更好的產品和服務相結合,以更低的成本生產出質量更好的零件,并帶來新型金屬產品和商業模式。

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