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金属增材制造的下一个十年

http://www.b2b.hc360.com 中国金属加工网 信息来源:Author发布时间:2022年07月07日浏览:4386

机器价格和尺寸、维护成本、生产速度、安全性、材料、冶金和质量,这些只是未来十年推动金属增材制造发展的部分因素,另外还包括可重复性、后处理和易用性等问题。但有一点很清楚,在金属增材制造成为真正的主流生产技术前,需要改善的地方还有很多。


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■混合AM显示材料沉积(左)和铣削(右)(由DMG Mori提供)


定向能量沉积和混合系统

金属增材制造面临的一项挑战是生产具有严格公差和良好表面光洁度的即用型零件。大多数具有严格公差的增材制造零件都需要某种形式的加工。具有集成多轴CNC功能的定向能量沉积(DED)机器被许多人称为混合增材制造设备,为某些类型零件提供了潜在的解决方案。


这些系统首先通过DED增材制造几层,然后更换为CNC切削工具以在需要时去除材料和加工表面。然后切换到DED进行额外加工。DED和加工交替进行,直到零件完成。


混合DED和粉末床融合(PBF)可以直接从机器上生产即用型零件,尽管两者都需要从构建板上移除零件。零件连接到构建板上的表面可能需要在移除后进行额外加工和精加工。与PBF相比,DED系统的沉积速度较好,但必须考虑加工时间。此外,使用DED通常难以生产小特征、细孔和通道以及晶格结构。


混合DED系统已经问世多年。DMG Mori于2013年推出混合动力机器,这些机器需要大量的决策和专业知识才能生产出优质零件。用户通常决定何时从DED切换到切割,然后再切换回DED。此外,加工通常需要在5轴设备上进行,与典型的3轴运动相比,需要更多的编程知识。


混合DED系统的另一个挑战是材料在极高温度下的沉积。加工前,材料必须冷却。在制造零件时,加热和冷却循环会重复多次,从而导致会出现难以预料的冶金结构。


DED的一个好处是可以使用功能分级材料制造零件。POM Group于2013年被DM3D Technology收购,是最早在生产零件时使用两种或多种金属沉积的公司之一。DED机器通过多根管子将粉末沉积到能量束中,每根管子携带不同的粉末。机器可以从一种金属切换到另一种金属,从而产生功能分级的材料。


这种方法具有潜力但未经证实,因此也就没有被行业广泛采用。部分挑战是材料可能不相容,从而阻碍了形成良好的冶金性能。在接下来的十年中,随着用户和生产者对技术的持续投资,混合DED的许多挑战将得到克服。


这可能导致它成为中型和大型增材制造零件的首选工艺。我们可以期待看到成熟制造商改进的工作流程和端到端解决方案。不少公司已经继续改造现有的CNC设备,而不是从头开始开发混合DED。随着工程师对技术理解的提高,他们将改变设计某些类型金属零件的方法。


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■254×254×76mm铬铜块上的3.18mm H13钢表面(由路易斯维尔大学科技增材制造研究所提供)


金属粉末床融合

根据Wohlers Report 2021研究报告,如今PBF是最流行的金属增材制造工艺。它仍然是一个相对缓慢的工艺,而且近年来大多数机器制造商都致力于创建更快的打印系统,通常是通过添加更多的激光器。除了提高打印速度外,近年来机器制造商的大部分工作都集中在提高零件质量上,部分是通过使用更薄的层来制造零件。


但是,这可能会导致构建时间变慢。如果层厚不变,在单激光系统中添加激光可以使生产速度提高近一倍。在接下来的十年中,预计PBF系统的打印速度将成为各大企业的研发重点。


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■运行中的四激光PBF机器(由EOS提供)


其他进步将包括智能软件、更好的控制和更一致的结果。目前,如果有3个用户为金属PBF设置相同的部分,但没有设置协议,他们可能会得到三个不同结果。这是因为用户在准备构建时必须设置几个参数。其中包括支撑/锚设计和位置、零件方向和构建参数。将来,软件工具将建议甚至自主完成大部分设置。这将导致用户之间更高的打印一致性。


混合PBF机床例如Matsuura的Lumex系列,集成了PBF和CNC铣削。在构建几层后,CNC刀具在铺展下一层粉末前对表面进行加工。预计这种混合工艺将进一步发展,可能会增加用于微加工的激光烧蚀。落入粉末中的机加工碎屑目前是这类系统面临的挑战。


十年后,购买和维护金属PBF设备的成本有望下降。这将受到市场竞争以及规模经济的推动。金属粉末的价格也是如此。Wohlers 2021年报告包括68家金属PBF系统制造商和60家金属粉末第三方生产商,反映了当前竞争的公司总体数量。


粘合剂喷射

金属粘合剂喷射(BJT)已经存在多年,ExOne在2000年代初期就推出了相关的商业机型。数年后,Digital Meta向市场提供BJT服务并在2016年开始销售对应设备。Desktop Metal在2021年第三季度收购ExOne之前提供了生产和车间金属BJT系统。GE Additive和HP联合投资开发金属BJT系统。


在HP和Desktop Metal进入金属BJT领域后,对该技术的兴趣与日俱增。该工艺的一个吸引人的特点是生产“绿色”零件的速度,这可能使其成为一项有趣的批量生产工艺。挑战在于BJT需要在熔炉中进行脱脂和烧结作为辅助工艺。烧结过程中零件的收缩率通常在20%范围内。再加上熔炉中发生的其他变化,可能会产生意想不到的结果。


当零件较小时,这种不一致性问题不大。但当打印零件超过50-75mm的时候,BJT工艺就不怎么常用了。总体而言,今天行业对金属BJT还不是很了解。发生问题时,可能很难确定具体原因,可能是设计、构建过程、构建方向、烧结或其他因素。与传统制造形式相比,高材料成本也是金属BJT的一个考虑因素。


十年后,金属BJT的许多当前问题可能会得到解决,前提是还有公司继续投资并看好这项技术。解决方案的一部分将是改进对过程的理解,再加上模拟软件。其他改进将来自更广泛的可用粘合剂和材料。这些进步将使汽车行业通过BJT更好地实现产量化。由于金属PBF速度慢,生产成本相对较高,该行业一直对使用金属PBF犹豫不决。


其他发展

材料挤压。在接下来十年中,我们将看到教育和研究机构以及业余爱好者和工程师在家工作的金属材料挤压(MEX)机器数量有所增加。尽管仍然需要烧结炉,但这些机器的购买和维护成本更低并且更易于使用。预计新的金属丝会在较低温度下熔化。


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■金属增材制造工艺监控和熔池分析(Courtesy Flow-3D)


定制合金。大多数金属增材制造合金是适用于增材制造的传统材料。今天只有少数合金,如 Scalmalloy专门用于金属增材制造。该领域将在未来十年内经历重大发展。与传统制造材料相比,市场将出现低成本和性能更好的新合金材料。


集成模拟和生产软件。未来十年,集成仿真和生产软件将有重大发展。软件将模拟增材制造零件的完整制造过程,包括支撑材料的位置、残余应力以及由此产生的冶金特性。根据模拟结果,结合更先进的熔池监控,届时打印设备将自动适应生产质量更高的零件。


过程监控。期望更先进的原位过程监控系统成为金属增材制造机器的标准。当在构建过程中检测到异常时,机器将自动采取纠正措施。这些系统将更充分地集成到机器和设计软件中。


结论

对于大多数产品开发和制造商来说,金属增材制造仍然相对较新。这项技术已经推出了20年,但直到最近机器制造商每年只售出几台机器。根据Wohlers的报告,即使在今天也很少有公司每年销售的机器超过100台。目前市面上的金属增材制造设备的价格仍然相对较高。


十年后,预计金属增材制造市场将大不相同。软件、流程监控和端到端工作流程将得到显著改善。航空航天、医疗、能源和汽车行业每年可能会购买和运行数千套金属增材制造系统。行业经验和专业知识将与更好的产品和服务相结合,以更低的成本生产出质量更好的零件,并带来新型金属产品和商业模式。

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