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  2. 南極熊:全球8種高速金屬3D打印顛覆性工藝盤點(轉)

    閱讀次數:250     發布時間:2022-07-25

    南極熊導讀:“天下武功,唯快不破”,同樣的道理放到增材制造領域依然適用。放眼全球,在制造業如今萬物互聯、智能化制造迅猛發展的浪潮和趨勢下,唯有高效率、高質量的制造模式才能搭上“工業4.0”的快車道,從而真正引領一個新時代的技術革命。

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    近30年來,金屬3D打印作為最具前景的先進成形技術之一,已經得到了廣泛的發展,市場上出現了許多技術理念超前或者生產效率極高的新型金屬增材制造系統,這也打破了人們對兩大類傳統金屬3D打印模式——粉末床熔融(PBF)和定向能量沉積(DED)的固有印象。為此,南極熊本期文章總結了現有8種的高速金屬3D打印技術或設備,從這些案例中可以預見,大尺寸、高產量將會成為未來金屬3D打印的主流方向之一。


    ①VulcanForms公司的150激光束金屬3D打印機


    VulcanForms公司是國外一家依托于麻省理工學院建立的初創公司,由哈特博士和他的一個研究生馬丁-費爾德曼在2015年創立,其3D打印制造工廠位于馬薩諸塞州德文斯。該公司追求一種全新的3D打印方法,即使用比現有系統多很多的激光束陣列,以解決現有金屬3D打印的速度慢、成本過高和制造缺陷多的三大問題點。

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    南極熊獲悉,VulcanForms開發的3D打印機高20英尺,重6萬磅,代表著3D打印的技術前沿。每臺3D打印機都具有150道激光束,每個系統最多可提供100千瓦粉末床的激光功率,是一般系統的100倍(最高可提升250倍)?,F在德文斯的工廠已經裝配了六臺巨型打印機,預計到明年將會增加到20臺。此外,該公司現在已經籌集了3.55億美元的風險資金。員工數量在過去一年里增加了六倍,達到360人,他們來自通用電氣和惠普公司等主要制造商以及谷歌和歐特克等科技公司。

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    △VulcanForms的三維打印使用了比其他系統更多的激光束陣列

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    △制造流程

    值得一提的是,這些機器可以打印鈦和其他材料,整體結構是密封的,里面的氣氛保護采用的是氬氣,這是反應性最低的氣體之一,能夠減少導致零件缺陷和雜質的產生?,F在,它們能為包括航空航天、半導體、國防和醫療植入物等領域在內的企業客戶制造高科技部件。


    ②Seurat 200萬激光點的金屬“區域3D打印”技術


    自2015年成立以來,Seurat公司一直致力于開發“區域打印工藝”,并打算推廣給汽車、消費技術和工業客戶。該公司的專利"金屬區域打印技術"緣起于勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL),是通過將200多萬個激光點聚焦到金屬粉末床上,實現快速打印最終用途的部件。這項技術的生產力遠遠超過任何現有金屬3D打印技術。它的打印速度甚至高于電弧熔絲,但它保持了激光粉末床熔融的精度和分辨率,并有可能進一步提高表面質量和零件的靈活性。

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    在汽車領域,Seurat公司認為他們的技術可用于生產汽車備件和下一代電動汽車的原型部件。同時,這項技術因為具有可擴展性和無飛濺性,可以成為生產工業應用大尺寸部件的理想選擇。Seurat的區域打印技術突破了每個零件成本的現有障礙,他們的第一代系統與今天的增材制造技術相比,已經可以降低50%的成本。而且將進一步提高效率,未來幾代機器的目標是在2030年擊敗傳統壓鑄工藝的制造成本,這將標志著增材制造作為一種主流技術的突破。憑借著這項高生產效率的技術,Seurat在今年7月獲得了4100萬美元(約2.65億元人民幣)的B輪融資,由投資公司Capricorn基金領投。然而,這個工藝盡管已經開發了至少六年,在2017年獲得了專利,但目前還未實現商業化。

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    △Seurat 200萬個激光的“區域打印工藝”,可以打印金屬件


    在技術原理上,Seurat的這種新技術不是增加激光源的數量,而是使用一種全新的光束處理方法來增加每次的熔化量。常規的金屬增材制造系統的光斑直徑為100微米,對于單激光系統,就是使用直徑100微米的激光進行掃描打印。而Seurat系統將200萬個激光點射向15平方毫米的方形區域,每個光點的直徑大約為10微米,也就是說一次打印一個區域。

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    南極熊剖析一下,可能你會更容易理解這個技術的厲害之處:

    * 在激光打印照射效率上,Seurat的光斑面積相當于15平方毫米,而常規單激光100微米直徑的光斑面積僅僅為0.0078平方毫米,兩者相差近1000倍,也就是說最多可以實現單激光系統1000倍以上的熔融效率;

    * 在激光打印精度分辨率上,Seurat的精度卻能達到傳統單激光的10倍。


    ③SPEE3D高速低成本的冷噴涂金屬3D打印技術


    SPEE3D是一家來自澳大利亞的冷噴3D打印機制造商,其獨有的冷噴專利增材制造技術打印金屬零件的速度要以比傳統金屬3D打印方法快100至1000倍。據稱,這項技術也是唯一能夠按需打印金屬零件的工藝之一,其成本比傳統制造更具競爭力,在國防、火箭、海洋等領域都有著廣闊的應用前景。

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    冷噴技術不依靠激光或其他熱能來源,而是利用動能,通過高速壓縮的氣流將金屬粉末噴到基體上。這給了材料足夠的能量,使其變形并與下面的固體零件結合,形成額外包覆層。SPEE3D公司在2019年和2021年被澳大利亞皇家海軍兩次選中,測試金屬3D打印技術在國防上的應用潛力。該公司的WarpSPEE3D能夠在惡劣的環境條件下運輸和卸載,并在30分鐘內投入使用。據了解,它能夠以每分鐘100克的速度打印重量達40公斤的大型金屬零件。除了國防應用,SPEE3D的冷噴技術在火箭發動機部件制造方面同樣有著優秀表現:在短短三個小時內就生產了一個17.9公斤的銅制火箭噴嘴襯墊,成本不到1000美元。

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    △澳大利亞陸軍正在準備WarpSPEE3D打印機的操作。照片來自澳大利亞陸軍

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    △SPEE3D的金屬3D打印機。圖片來自SPEE3D


    ④Sciaky每小時18公斤沉積速度的EBAM電子束金屬3D打印技術


    Sciaky是一家隸屬于飛利浦服務公司的子企業,是工業金屬3D打印解決方案的領先供應商。它們獨有的電子束定向能量沉積增材制造(EBAM?)工藝,是世界上可實現大型金屬零件最快速成形的3D打印工藝之一。

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    △電子束金屬沉積3D打印技術,受到美國總統拜登的關注


    在2022年1月份宣布將向土耳其航空航天工業(TAI)交付世界上最大的電子束定向能沉積(DED) 3D打印機——定制的300系列電子束增材制造(EBAM?)系統后,Sciaky公司在5個月后宣布他們的EBAM工藝已率先實現每小時超過40磅(18.14公斤)的沉積速率,這一記錄是在位于法國的圣??颂K佩里技術研究所(IRT),為航空金屬先進材料 (MAMA)項目打印金屬零件的時候完成的。

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    該公司的EBAM技術可擴展性非常廣,3D打印金屬零件的尺寸可以長達19英尺(6米)。通過層間實時成像和傳感系統,實現很好的質量控制和反饋。這是金屬3D打印市場上,少有的能夠以精確和可重復性的方式,實現實時反饋、自適應的金屬沉積控制系統。同時,該公司還為航空航天、國防、汽車、醫療保健,和其他制造行業提供行業領先的電子束(EB)和先進的弧焊系統,以及世界上最強大的EB車間焊接服務。焊接設備符合歐洲軍標,可制造機身、起落架、噴氣發動機、導彈和車輛零件等物品。

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    △采用Sciaky特有的EBAM工藝,為MAMA項目進行3D打印


    ⑤ILT聯手Ponticon推出專利超高速激光沉積(EHLA)3D打印技術


    2021年10月,弗勞恩霍夫激光技術研究所(ILT)和總部位于德國的工程公司Ponticon聯手推出了一項ILT專利的超高速激光材料沉積(EHLA)新型3D打印技術。EHLA技術最初開發于2017年,是ILT對大批量定向能量沉積(或稱DED)的嘗試。它最初是作為一個模塊化的工具頭提供的,可以集成到門架和機械臂上,同時進行材料沉積和熔化動作。

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    自EHLA 2017年發布以來,這兩家合作伙伴一直致力于開發更適合增材制造應用的新一代技術版本,并在2019年完成了第一個原型——簡稱為"EHLA 3D"。Fraunhofer ILT將這項技術描述為比傳統堆焊工藝更高效、更環保的替代品。目前,該工藝可以加工重達25公斤的零件,進料速度最高可達每分鐘500米,比其他激光材料沉積技術快250倍。它還可以應用到更薄的層結構上去,僅有25微米,同時實現更平滑的零件表面。FraunhoferILT打算在過程監控設計、自動路徑規劃工具和構建參數細化方面投入更多的研究,并表示未來的升級技術版本將會提供更高的構建速率、更大的靈活性和材料多樣性以及更高的精度。

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    △用三種不同的粉末材料3D打印Fraunhofer ILT的字樣,作為新型高產的EHLA 3D工藝的示范部件。照片來自Fraunhofer ILT。


    ⑥MELD推出比SLM快十倍的攪拌摩擦沉積3D打印技術


    MELD制造公司是一家位于弗吉尼亞州克里斯蒂安斯堡的3D打印技術開發商,一直以來,該公司都在持續推進金屬摩擦沉積工藝的開發和研究,同時制造基于該技術的3D打印機。在今年3月份,MELD公司宣布與弗吉尼亞理工大學開展合作,以尋求進一步推進其增材制造摩擦沉積技術,研究方向包括工藝基礎,如溫度、材料流動和變形,動態相和微結構演變,以及異質結構材料的設計和制造。

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    MELD制造公司擁有十幾項增材制造攪拌摩擦沉積工藝的專利,與其他金屬3D打印技術不同的是,該技術是一個固態過程,在低于熔化溫度的情況下進行,往往不會熔化打印材料。它是通過固體進料桿(打印材料)旋轉接觸基材,涂抹并通過摩擦粘在基材上完成逐層打印,該過程發生塑性變形,但絕不會熔化??焖傩D的工具具有加熱材料的作用,并完成塑性變形,使其具有足夠的可塑性。摩擦沉積工藝與各種金屬兼容,如鋁、鈦、鋼和鎳基超合金。MELD的3D打印應用主要是在國防領域,包括零件涂層、部件維修、金屬連接和定制金屬基復合材料坯料。據MELD稱,增材攪拌摩擦沉積技術能夠以前所未有的規模生產大型金屬零件,它不限于小型粉末床或真空系統,是一種可以在開放的大氣環境下實施的工藝,不受操作環境或材料表面條件的限制,并且材料沉積速度比粉末床熔融等工藝快十倍以上。

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    △MELD的專利增材制造攪拌摩擦沉積技術。照片來自MELD制造。

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    △前沿作戰基地的MELD增材制造維修概念圖。圖片來自MELD制造公司


    ⑦Desktop Metal粘結劑噴射金屬3D打印技術


    Desktop Metal在2021年10月斥資5.75億美元收購其主要競爭對手粘合劑噴射3D打印機制造商ExOne,一躍成為金屬粘合劑噴射3D打印領域難覓敵手的頭號霸主。ExOne公司多年來致力于開發可控氛圍(有時也稱為惰性或化學惰性)的粘合劑噴射3D打印技術,用于打印活性粉末。目前,其粘合劑噴射3D打印技術能夠處理包括金屬、陶瓷和復合材料在內的幾乎所有類型粉末。

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    使用粘合劑噴射binder jetting和單程噴墨技術single-pass inkjet technology的的3D打印機Production System?,可能是進行大規模3D打印金屬零件的最快方法。具有最先進的打印噴頭,上面有16384個噴嘴,每秒能夠噴出15億滴墨滴,具有1200x1200 DPI的原始分辨率,出色的可靠性和雙向單程打印,可以快速3D打印復雜的金屬零件,堆積效率可達12,000cm3/小時,每天多達10,000個零件。


    單程粘合劑噴射金屬3D打印技術原理


    在Single Pass Jetting?(SPJ)的支持下,Production System?具有雙向3D打印功能,移動一次,即可打印一次,不浪費一遍路程。具體工作流程如下

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    △視頻:單程粘合劑噴射金屬3D打印技術工藝原理


    ①3D打印。對于雙向單程3D打印,每次打印遍及整個構建區域,都將應用打印過程的所有步驟(粉末沉積、鋪展、壓實、彈道抑制ballistic suppression、和粘合劑噴射)。一層一層地沉積金屬粉末和粘合劑,直到整個構建體被零件部分和周圍的散裝粉末填滿為止。

    ②脫粉。構建完成后,將移除構建箱,并用新箱子替換下一個構建。完整的成型箱被移至清粉工位,在那里去除粉末,并準備燒結零件。

    ③燒結。脫粉的零件裝入工業爐中,在那里將加熱到接近熔化的溫度。除去剩余的粘合劑,使金屬顆粒融合在一起,并使零件致密。

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    高速打?。航柚鶳roduction System的雙向單程Single Pass Jetting?打印技術,每天最多可進行10,000個零件的3D打印,每次構建零件,實現比傳統SLM激光粉末床的打印速度高100倍,最大限度地提高生產率。

    密集3D嵌套:無需支撐即可進行粘合劑噴射3D打印,這意味著零件由松散的粉末支撐,無需焊接至底板。這使客戶能夠用密集嵌套的零件填充構建體積,從而有效地交付高吞吐量的打印。

    一流的可重復性:通過防彈技術,打印頭冗余和實時光學打印床檢查,提供了強大的可重復性。意味著您可以放心打印。


    ⑧Fraunhofer IWS速度提升千倍的CBC金屬3D打印技術


    2021年7月,德國研究機構Fraunhofer IWS透露了一種新式的3D打印系統,這套系統可能比目前基于振鏡的激光制造技術快"一千倍"。據悉,這種打印裝置重點在于一個高功率的13KW "動態光束激光器",它能夠迅速產生不同的能量分布模式,并精確地打印出極為復雜的材料。這項突破性技術最初由以色列公司Civan Lasers開發,Fraunhofer IWS用相干光束來做金屬3D打印。這種方法被認為是高功率激光工藝的 “巔峰",它涉及到將激光分割放大成多條相干光線,然后再將它們合并成強大的單束。

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    △一位工程師在德累斯頓的Fraunhofer IWS安裝耶路撒冷的 "動態光束激光"。照片來自Fraunhofer IWS

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    在Civan Lasers公司的案例中,它們已經開發出一種利用部分光束的小相位偏移來調制能量分布模式的方法。與現有的激光器相比,動態光束激光器在光束中心釋放出大部分能量,因此能夠將零件制成復雜的 "環 "或"馬蹄 "形狀。從理論上講,使用光束偏轉光學器件或快速振鏡已經可以做到這一點,盡管每次重新調整都需要幾毫秒。然而,Civan Lasers公司的方法更快,能夠在微秒內調整激光的能量模式,因此它有可能使動態光束成形首次用于工業規模的金屬3D打印。據FraunhoferIWS的AndreasWetzig稱,這項技術推動了金屬3D打印的極限,將會解鎖新的合金材料在醫療、電動車和航空航天領域的廣泛應用。

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    △預計新的 "CIVAN "將在金屬3D打印中開啟動態光束成型。照片來自Fraunhofer IWS


    南極熊評論


    南極熊認為,盡管從技術層面上看國外在高速金屬增材制造領域的技術理念、設備制造確實領先我國不少,但我們也并不只是落于“眼見他人起高樓”的境地,我們也有著像鉑力特、華曙高科、易加三維等一批受到國外市場認可的佼佼者。中國制造業的轉型需要信心,中國智能制造業的發展更需要耐心,我國增材制造產業當下的規模還遠未發展到像國外那般“火并群雄”的激烈地步。相反,我國在增材制造材料、設備、技術、創新理念都還有著不少短板需要補齊,在增材制造走向產業化的道路上還有諸多未成熟的工藝鏈需要完善。

    落后需要追趕,盡管我國并非3D打印技術理念的“起源地”,但我們有著龐大的市場體量和完備的制造產業鏈,加之近年來國家在先進制造產業方面的大力政策扶持,相信未來國內也會涌現出更多優秀的增材制造企業能夠為中國創新“披堅執銳”,亦能走出國門大殺四方。畢竟在彎道超車、后來居上這方面的事,“種花家”沒少干。


    (注:該文章轉自公眾號“南極熊3D打印”)


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