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金属3D打印:激光熔化与喷射技术各自的优点和局限

来源:3D科学谷

  发布:星之球科技

关键词:金属3D打印 激光熔化

2017-11-29

  金属3D打印正在从实验室级别的应用走向工厂级别的生产应用。而金属3D打印的各种技术之间也存在着一定的竞争关系。本期,3D科学谷与谷友一起来领略作为风头正劲的粉末床金属熔化技术与受投资人热捧的binderjetting粘结剂喷射金属3D打印技术的特点与局限。
 
 
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    正面竞争还是错位竞争
 
    相比与其他的直接金属3D打印技术,金属粉末床熔化(PBF)是目前最广泛被使用的金属3D打印技术。包括去年通用电气投资14亿美元收购ConceptLaser和Arcam,进一步加强了金属粉末床熔化的市场关注度。PBF被认为是一种直接的金属3D打印技术,包括激光熔化和电子束熔化两种加工方式,目前激光熔化方式被更广泛的使用。在这个领域,活跃着众多的品牌,包括GE收购的ConceptLaser和Arcam,包括原有的金属3D打印解决方案商德国EOS,德国SLMSolutions,英国Renishaw,国内的铂力特、北京隆源、易加三维、鑫精合以及进入到PBF领域的传统机床厂商德国通快,以及德马吉森精机等。
 
    不过,从投资市场方面,大量的投资资金因看好高速度、大批量和低成本的因素涌入了另外一种金属3D打印方式,通常被认为是间接金属3D打印。间接金属3D打印技术,故名思意是指通过金属3D打印过程所获得的金属零件并不是最终的零件,而是需要通过高温炉的热处理过程将金属零件中的化学物质去除,从而获得致密的金属零件。当然,当前间接金属3D打印技术包括多种不同的技术,根据3D科学谷的市场研究一大类是以Exone,Desktopmetal,3DEO,Markforged所代表的binderjetting技术,另一类是以Xjet为代表的NanoParticleJetting技术,第三类是Prodways与CEATechLITEN开发的以树脂为间接体的金属3D打印技术,第四类则可能要归为惠普将要推出的金属3D打印技术。
 
    PBF技术
 
    激光熔化过程开始的时候先将一层金属粉末铺设到构建托盘上,然后通过能量源(激光或电子束)层层熔化金属粉末。由于可实现十分复杂的产品制造,PBF技术不仅使得复杂产品的制造变得更加可行,而且还创造了更大的综合性的经济效益。
 
 
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    例如,通过PBF技术制造具有成本效益的复杂模具的时候,如随形冷却模具。如何在最小周期时间内,高效冷却塑料产品成为随形冷却模具的设计与制造过程中关键的考量因素,而增材制造的随形冷却极大地优化了冷却效果,提高了模具寿命,提高了最终产品的质量。在这方面,上海悦瑞三维已经积累了丰富的3D打印随形冷却模具的设计与制造经验。
 
    再例如,GE通过长达10多年的探索将其喷油嘴的设计通过不断的优化、测试、再优化,将喷油嘴的零件数量从20多个减少一个。综合效益方面通过增材制造的方法不仅改善了喷油嘴容易过热和积碳的问题,还将喷油嘴的使用寿命提高了5倍,并且将提高LEAP发动机的性能。
 
    而空客的仿生学结构机舱也颠覆了传统机舱的生产方法和力学性能。这种名为Scalmalloy的零件的串行生产不仅对减少钛金属的浪费起到重要的作用,还通过减重,为飞机节约了大量的燃油消耗。
 
    不过从实验室级别的应用走向生产,PBF的局限性也显现出来了。例如,不锈钢的熔化温度可接近2500华氏度,想像一下当每个单独的3D打印设备都需要不断的消耗能源的时候才能实现零件的加工,整体来说对能源的消耗是不容低估的。除非,通过PBF技术所创造的综合效益如上所述的几个经典案例这么明显。
 
    所以说,用于批量生产领域,这样的高成本通常在加工通过传统方式难以加工出来的特殊零件的时候才有意义,包括那些具有极其复杂的内部通道的零件,以及喷气发动机燃料喷嘴和卫星组件等高端部件。
 
    除了能源的消耗,PBF技术还受到了材料的限制和可加工尺寸限制、材料价格、过程中控制以及需要添加支撑结构等各种限制,这些因素成为制约PBF技术走向普及化的原因。当然,随着工艺的提升和通过软件对质量控制能力的提高,PBF技术也在不断地突破自身的局限性。
 
    材料喷射+烧结
 
    Exone,3DEO,Markforged和Desktopmetal所采用的间接金属3D打印技术,技术原理是通过材料喷射和烧结工艺的相互结合来生产完全密度的金属零部件。成本较低的设备也意味着零件成本大大降低,大批量成本较低的零部件是走向生产的关键要素。
 
 
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    目前通过binderjetting粘结剂喷射技术来进行金属零件的3D打印的局限性在于零件的大小。早期的粘结剂喷射技术使用青铜渗透来减少相关的收缩和烧结问题,但是这改变了金属的材料特性,并且不被证明是生产零件可行的解决方案。不过较新的粘接剂喷射技术设备即将上市,希望解决构造尺寸问题,同时获得低成本零件和高产量的优势。
 
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    3DEO的智能分层技术是将传统制造技术与新型增材制造工艺相结合的成型方法。加工过程中通过精确的CNC加工来实现更精确的几何轮廓。
 
    未来直接金属3D打印技术与间接金属3D打印技术将形成怎样的竞争?这是个值得思考和持续关注的话题,在3D科学谷看来,有一种可能是就PBF激光熔化技术来说,将专注于高附加值零件的制造,并创造更精细的材料晶体结构;而像binderjetting这样的批量间接金属制造技术则以起大批量、低成本的优势而来满足PBF激光熔化技术所没有覆盖的市场需求。当然这也是一种最相安无事的局面,而经验告诉我们,竞争往往不会如此的井水不犯河水。