2019年，大眾汽車宣布將與吉凱恩（GKN）和惠普（HP）一起在HP Metal Jet系統(tǒng)上生產(chǎn)10,000個(gè)金屬零件，從而重申了對汽車金屬3D打印的承諾。

HP Metal Jet 系統(tǒng)是一種基于粘結(jié)劑噴射工藝的間接金屬3D打印設(shè)備。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，吉凱恩正在與惠普合作，對Metal Jet系統(tǒng)和粘結(jié)劑噴射3D打印工藝進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化工作著眼于該技術(shù)的整個(gè)價(jià)值鏈，包括：優(yōu)化粘結(jié)劑噴射金屬粉末材料、面向該工藝的增材制造設(shè)計(jì)、打印工藝、粉末清除工藝，以及打印完成后的燒結(jié)工藝，并將完善基于該工藝的數(shù)字工作流程，為實(shí)現(xiàn)質(zhì)量可重復(fù)的零件生產(chǎn)提供支持。

由此，這種基于粘結(jié)劑噴射的間接金屬3D打印技術(shù)，正在向批量生產(chǎn)和工業(yè)化應(yīng)用過渡。

優(yōu)化間接金屬3D打印的每一個(gè)環(huán)節(jié)

為增加零件密度而進(jìn)行的粉末改性

如今，有兩種主要的生產(chǎn)增材制造用粉末的技術(shù)：

一種使用氣體霧化（ gas atomization）技術(shù)來產(chǎn)生具有良好鋪展性的高度球形粉末。這些粉末制造昂貴并且在可擴(kuò)展性方面受到限制。另一種是使用水霧化（water atomization）技術(shù)生產(chǎn)粉末材料，這是一種經(jīng)濟(jì)高效且可擴(kuò)展的過程，可產(chǎn)生更不規(guī)則的粉末顆粒。

吉凱恩與惠普合作，提出粉末混合物法和雙峰粉末分布法，來彌合氣體霧化粉末和水霧化粉末之間的差距。

粉末混合物法是將氣體和水霧化的粉末混合，從而增加粉末的流動性和生產(chǎn)率，同時(shí)降低成本；雙峰粉末分布法，是指將兩種尺寸的粉末結(jié)合在一起，由于較小的顆粒填充了較大顆粒之間的間隙，因此產(chǎn)生較高的堆積密度。

使用雙峰方法可以提高粘結(jié)劑噴射3D打印零件的生坯密度，從而能夠產(chǎn)生更高的燒結(jié)密度。如果粉末材料可以通過穩(wěn)定的工藝進(jìn)行均勻鋪粉，則零件的密度將始終保持較高。

除此之外，在材料方面需要進(jìn)行優(yōu)化的工作還包括豐富粘結(jié)劑噴射3D打印的金屬粉末，例如開發(fā)用于制造結(jié)構(gòu)零部件的材料。

優(yōu)化設(shè)計(jì)

每種制造工藝都有其特殊的零件設(shè)計(jì)約束和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)也不例外。吉凱恩正在積累面向這一3D打印技術(shù)的設(shè)計(jì)專業(yè)知識。當(dāng)面對工業(yè)用戶時(shí)，重要的是讓他們意識到粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)能夠?yàn)榱慵�設(shè)計(jì)優(yōu)化所帶來的價(jià)值。

GKN 使用的HP Metal Jet設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)的零件壁厚在1.3-30毫米之間（上限是由于需要燒掉粘結(jié)劑）。由于使用了細(xì)致的粉末，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)的零件表面質(zhì)量達(dá)Rz（輪廓*大高度）45微米。該技術(shù)的公差等級為IT12-14，隨著技術(shù)的發(fā)展，這一數(shù)值將會降低。通過該技術(shù)制造的零件具有符合MPIF 35標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械性能。

3D打印生產(chǎn)率高達(dá)50倍

價(jià)值鏈的第三部分是打印過程本身。HP Metal Jet 3D打印技術(shù)是一種粘結(jié)劑工藝，在打印時(shí)，設(shè)備將一層金屬粉末鋪到打印床上，然后沉積粘合劑以形成零件的*層，然后重復(fù)此過程，直到創(chuàng)建完整的零件。

根據(jù)吉凱恩，Metal Jet工藝將產(chǎn)生高達(dá)50倍的生產(chǎn)率，適合進(jìn)行的批量生產(chǎn)數(shù)量達(dá)50,000個(gè)。

自動化的粉末清除流程

價(jià)值鏈的下一步是清除打印粉末。迄今為止，大部分去除3D打印粉末的工作是手動的，但如果將粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)投入到汽車零部件生產(chǎn)等領(lǐng)域中，用于生產(chǎn)成千上萬的零件，那么手動去除粉末就不是一種可持續(xù)的解決方案。

在這個(gè)環(huán)節(jié)中，吉凱恩認(rèn)為可改善的空間是，實(shí)現(xiàn)自動化的粉末和零件處理。吉凱恩將與HP 合作開展這項(xiàng)優(yōu)化工作。

在燒結(jié)過程中進(jìn)行全尺寸控制

吉凱恩是粉末冶金領(lǐng)域的制造商，燒結(jié)技術(shù)是其業(yè)務(wù)中的一部分。目前，吉凱恩有兩種燒結(jié)爐：間歇式爐和連續(xù)式爐。

間歇式爐具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括材料的靈活性，良好的溫度和氣氛控制。連續(xù)爐也具有其優(yōu)勢，例如高生產(chǎn)率和良好的溫度控制。從工業(yè)化的角度來看，燒結(jié)工藝已經(jīng)很成熟，吉凱恩的熔爐符合汽車行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)并經(jīng)過驗(yàn)證。

吉凱恩發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過燒結(jié)處理的粘結(jié)劑噴射金屬3D打印零件，在密度上高于金屬注射成型（MIM）零件，但在尺寸變化方面仍存在改進(jìn)的空間，目前在構(gòu)建和燒結(jié)過程中的尺寸變化率為2-3%，吉凱恩希望通過更強(qiáng)大的印刷和燒結(jié)工作流程達(dá)到與金屬注射成型相當(dāng)?shù)某叽缇�度�?

工業(yè)化的催化劑-數(shù)字工作流程

3D打印技術(shù)作為一種典型的數(shù)字化制造技術(shù)，要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的應(yīng)用，離不開數(shù)字工作流程的支撐。在數(shù)字工作流程中，吉凱恩認(rèn)為需要為運(yùn)營建立起數(shù)字孿生系統(tǒng)，將從粉末生產(chǎn)到零件生產(chǎn)的全過程實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，通過數(shù)字孿生技術(shù)，增強(qiáng)過程控制，并實(shí)現(xiàn)質(zhì)量完全可重復(fù)的打印過程。

吉凱恩已經(jīng)針對粉末床激光熔融3D打印工藝建立了數(shù)字孿生系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以產(chǎn)生許多協(xié)同作用, 實(shí)現(xiàn)從粉末生產(chǎn)到零件生產(chǎn)的全過程數(shù)字化。

3D科學(xué)谷Review

任何一項(xiàng)新制造技術(shù)的發(fā)展都離不開應(yīng)用的土壤。而談到粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)在生產(chǎn)中的應(yīng)用，我們可以把話題切回到大眾汽車與惠普、吉凱恩的合作上來，以汽車行業(yè)為例，看一下這一技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用前景。

大眾將分三個(gè)階段應(yīng)用HP Metal Jet 3D打印技術(shù)。

*初，為了強(qiáng)化大眾對金屬3D打印的重視，大眾通過HP Metal Jet 3D打印系統(tǒng)生產(chǎn)其新型ID.3電動汽車的微型模型，用于市場宣傳目的。

接下來，是進(jìn)行大規(guī)模定制和裝飾部件的制造，并計(jì)劃盡快將Metal Jet金屬3D打印的結(jié)構(gòu)部件集成到下一代車輛中，并著眼于不斷增加的部件尺寸和技術(shù)要求。

未來的目標(biāo)是每年制造5萬至10萬個(gè)的足球大小尺寸零件。這些3D打印組件可能包括變速桿和后視鏡支架等。增材制造將憑借其在輕量化方面的優(yōu)勢而在不斷增長的電動汽車的生產(chǎn)領(lǐng)域中獲得部署，惠普預(yù)計(jì)不久的未來將生產(chǎn)經(jīng)過完整安全認(rèn)證過程的金屬零件。

通過2019年的3D打印機(jī)出貨量，也能夠看到間接金屬3D打印技術(shù)的發(fā)展。根據(jù)3D科學(xué)谷的合作伙伴CONTEXT, 2019年第二季度，金屬3D打印設(shè)備發(fā)貨量的前五名廠商(按照臺數(shù)）分別是：GE, EOS, Markforged，Desktop Metal, 德國通快。在2019年上半年，中國國內(nèi)市場上工業(yè)級打印機(jī)的出貨量尤其強(qiáng)勁，而Desktop Metal和Markforged等新型的間接金屬3D打印解決方案也受到了市場青睞。

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