全球8種高速金屬3D打印工藝盤(pán)點(diǎn)
時(shí)間：2022-07-25 11:21 來(lái)源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
導(dǎo)讀：“天下武功，唯快不破”，同樣的道理放到增材制造領(lǐng)域依然適用。放眼全球，在制造業(yè)如今萬(wàn)物互聯(lián)、智能化制造迅猛發(fā)展的浪潮和趨勢(shì)下，唯有高效率、高質(zhì)量的制造模式才能搭上“工業(yè)4.0”的快車道，從而真正引領(lǐng)一個(gè)新時(shí)代的技術(shù)革命。
近30年來(lái)，金屬3D打印作為最具前景的先進(jìn)成形技術(shù)之一，已經(jīng)得到了廣泛的發(fā)展，市場(chǎng)上出現(xiàn)了許多技術(shù)理念超前或者生產(chǎn)效率極高的新型金屬增材制造系統(tǒng)，這也打破了人們對(duì)兩大類傳統(tǒng)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(jié)了現(xiàn)有8種的高速金屬3D打印技術(shù)或設(shè)備，從這些案例中可以預(yù)見(jiàn)，大尺寸、高產(chǎn)量將會(huì)成為未來(lái)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(jī)
VulcanForms公司是國(guó)外一家依托于麻省理工學(xué)院建立的初創(chuàng)公司，由哈特博士和他的一個(gè)研究生馬丁-費(fèi)爾德曼在2015年創(chuàng)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(xiàn)有系統(tǒng)多很多的激光束陣列，以解決現(xiàn)有金屬3D打印的速度慢、成本過(guò)高和制造缺陷多的三大問(wèn)題點(diǎn)。
VulcanForms開(kāi)發(fā)的3D打印機(jī)高20英尺，重6萬(wàn)磅，代表著3D打印的技術(shù)前沿。現(xiàn)在德文斯的工廠已經(jīng)裝配了六臺(tái)巨型打印機(jī)，預(yù)計(jì)到明年將會(huì)增加到20臺(tái)。此外，該公司現(xiàn)在已經(jīng)籌集了3.55億美元的風(fēng)險(xiǎn)資金。員工數(shù)量在過(guò)去一年里增加了六倍，達(dá)到360人，他們來(lái)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。
技術(shù)原理
- 每臺(tái)3D打印機(jī)都具有150道激光束，通過(guò)龍門(mén)架結(jié)構(gòu)投射并快速來(lái)回移動(dòng)；
- 每個(gè)打印系統(tǒng)最多可提供100千瓦粉末床的激光功率，是一般打印系統(tǒng)的100倍（最高可提升250倍）；
-
機(jī)器采用密封腔結(jié)構(gòu)，在內(nèi)部充滿氬氣氣氛保護(hù)（反應(yīng)性最低的氣體之一），減少了雜質(zhì)導(dǎo)致零件缺陷的機(jī)會(huì)。
△VulcanForms的三維打印使用了比其他系統(tǒng)更多的激光束陣列
△制造流程
②Seurat 200萬(wàn)激光點(diǎn)的金屬“區(qū)域3D打印”技術(shù)
自2015年成立以來(lái)，Seurat公司一直致力于開(kāi)發(fā)“區(qū)域打印工藝”，并打算推廣給汽車、消費(fèi)技術(shù)和工業(yè)客戶。該公司的專利"金屬區(qū)域打印技術(shù)"緣起于勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)，是通過(guò)將200多萬(wàn)個(gè)激光點(diǎn)聚焦到金屬粉末床上，實(shí)現(xiàn)快速打印最終用途的部件。這項(xiàng)技術(shù)的生產(chǎn)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)任何現(xiàn)有金屬3D打印技術(shù)。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(jìn)一步提高表面質(zhì)量和零件的靈活性。
在汽車領(lǐng)域，Seurat公司認(rèn)為他們的技術(shù)可用于生產(chǎn)汽車備件和下一代電動(dòng)汽車的原型部件。同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)因?yàn)榫哂锌蓴U(kuò)展性和無(wú)飛濺性，可以成為生產(chǎn)工業(yè)應(yīng)用大尺寸部件的理想選擇。Seurat的區(qū)域打印技術(shù)突破了每個(gè)零件成本的現(xiàn)有障礙，他們的第一代系統(tǒng)與今天的增材制造技術(shù)相比，已經(jīng)可以降低50%的成本。而且將進(jìn)一步提高效率，未來(lái)幾代機(jī)器的目標(biāo)是在2030年擊敗傳統(tǒng)壓鑄工藝的制造成本，這將標(biāo)志著增材制造作為一種主流技術(shù)的突破。憑借著這項(xiàng)高生產(chǎn)效率的技術(shù)，Seurat在今年7月獲得了4100萬(wàn)美元（約2.65億元人民幣）的B輪融資，由投資公司Capricorn基金領(lǐng)投。然而，這個(gè)工藝盡管已經(jīng)開(kāi)發(fā)了至少六年，在2017年獲得了專利，但目前還未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。
技術(shù)原理：
- Seurat的這種新技術(shù)不是增加激光源的數(shù)量，而是使用一種全新的光束處理方法來(lái)增加每次的熔化量。常規(guī)的金屬增材制造系統(tǒng)的光斑直徑為100微米，對(duì)于單激光系統(tǒng)，就是使用直徑100微米的激光進(jìn)行掃描打印。而Seurat系統(tǒng)將200萬(wàn)個(gè)激光點(diǎn)射向15平方毫米的方形區(qū)域，每個(gè)光點(diǎn)的直徑大約為10微米，也就是說(shuō)一次打印一個(gè)區(qū)域；
- 在激光打印照射效率上，Seurat的光斑面積相當(dāng)于15平方毫米，而常規(guī)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(shuō)最多可以實(shí)現(xiàn)單激光系統(tǒng)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(dá)到傳統(tǒng)單激光的10倍。
△Seurat200萬(wàn)個(gè)激光的“區(qū)域打印工藝”，可以打印金屬件
③SPEE3D高速低成本的冷噴涂金屬3D打印技術(shù)
SPEE3D是一家來(lái)自澳大利亞的冷噴3D打印機(jī)制造商，其獨(dú)有的冷噴專利增材制造技術(shù)打印金屬零件的速度要以比傳統(tǒng)金屬3D打印方法快100至1000倍。據(jù)稱，這項(xiàng)技術(shù)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(tǒng)制造更具競(jìng)爭(zhēng)力，在國(guó)防、火箭、海洋等領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。
SPEE3D公司在2019年和2021年被澳大利亞皇家海軍兩次選中，測(cè)試金屬3D打印技術(shù)在國(guó)防上的應(yīng)用潛力。該公司的WarpSPEE3D能夠在惡劣的環(huán)境條件下運(yùn)輸和卸載，并在30分鐘內(nèi)投入使用。據(jù)了解，它能夠以每分鐘100克的速度打印重量達(dá)40公斤的大型金屬零件，即使在37℃的溫度和80%的濕度下也能打印。除了國(guó)防應(yīng)用，SPEE3D的冷噴技術(shù)在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件制造方面同樣有著優(yōu)秀表現(xiàn)：在短短三個(gè)小時(shí)內(nèi)就生產(chǎn)了一個(gè)17.9公斤的銅制火箭噴嘴襯墊，成本不到1000美元。
技術(shù)原理：
- 冷噴技術(shù)不依靠激光或其他熱能來(lái)源，而是利用動(dòng)能，通過(guò)高速壓縮的氣流將金屬粉末噴到基體上；
-
壓縮的高壓氣體給予粉末材料足夠的能量，使其完成塑性變形以產(chǎn)生一種粘附力與下面的固體零件結(jié)合，形成外層包覆層實(shí)現(xiàn)基體強(qiáng)化或修復(fù)；
△澳大利亞陸軍正在準(zhǔn)備WarpSPEE3D打印機(jī)的操作。照片來(lái)自澳大利亞陸軍
△SPEE3D的金屬3D打印機(jī)。圖片來(lái)自SPEE3D
④Sciaky每小時(shí)18公斤沉積速度的EBAM技術(shù)
Sciaky是一家隸屬于飛利浦服務(wù)公司的子企業(yè)，是工業(yè)金屬3D打印解決方案的領(lǐng)先供應(yīng)商。它們獨(dú)有的電子束定向能量沉積增材制造(EBAM®)工藝，是世界上可實(shí)現(xiàn)大型金屬零件最快速成形的3D打印工藝之一。
△電子束金屬沉積3D打印技術(shù)，受到美國(guó)總統(tǒng)拜登的關(guān)注
在2022年1月份宣布將向土耳其航空航天工業(yè)(TAI)交付世界上最大的電子束定向能沉積(DED) 3D打印機(jī)——定制的300系列電子束增材制造(EBAM®)系統(tǒng)后，Sciaky公司在5個(gè)月后宣布他們的EBAM工藝已率先實(shí)現(xiàn)每小時(shí)超過(guò)40磅（18.14公斤）的沉積速率，這一記錄是在位于法國(guó)的圣埃克蘇佩里技術(shù)研究所(IRT)，為航空金屬先進(jìn)材料
(MAMA)項(xiàng)目打印金屬零件的時(shí)候完成的。該公司的EBAM技術(shù)可擴(kuò)展性非常廣，3D打印金屬零件的尺寸可以長(zhǎng)達(dá)19英尺（6米）。通過(guò)層間實(shí)時(shí)成像和傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)很好的質(zhì)量控制和反饋。這是金屬3D打印市場(chǎng)上，少有的能夠以精確和可重復(fù)性的方式，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反饋、自適應(yīng)的金屬沉積控制系統(tǒng)。同時(shí)，該公司還為航空航天、國(guó)防、汽車、醫(yī)療保健，和其他制造行業(yè)提供行業(yè)領(lǐng)先的電子束(EB)和先進(jìn)的弧焊系統(tǒng)，以及世界上最強(qiáng)大的EB車間焊接服務(wù)。焊接設(shè)備符合歐洲軍標(biāo)，可制造機(jī)身、起落架、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、導(dǎo)彈和車輛零件等物品。
技術(shù)原理：
- EBAM屬于定向能量沉積（DED）技術(shù)，是一種通過(guò)高功率激光或電子束聚焦在金屬材料上，將該區(qū)域的金屬熔化以沉積材料的3D打印方法。由于其精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)和快速凝固的特性，DED工藝所制備的部件具有優(yōu)異的機(jī)械性能；
- EBAM允許調(diào)整混合比，同時(shí)通過(guò)兩個(gè)以上的料斗同時(shí)供應(yīng)多種材料。因此，該工藝可以制造具有各種混合比的多種材料；
-
電子束 (EB) 焊接技術(shù)能在高深寬比下提供優(yōu)異的焊接質(zhì)量，具有最大的穿透和最小的形變。
△采用Sciaky特有的EBAM工藝，為MAMA項(xiàng)目進(jìn)行3D打印
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