WMEM|金屬3D打印從單機應用到規模集成
WMEM|金屬3D打印從單機應用到規模集成
金屬3D打印案例應用
現今，金屬3D打印作為增材制造工藝的一個分支，因其具有簡化裝配件、減少部件數、降低材料費、實現輕量化等顯著特點，正被陸續應用于船舶、航空航天、汽車、醫療等行業中。
1.船舶行業應用
近期，美國海軍水面戰中心巴拿馬城分部（NSWC PCD）自德國購入1臺金屬3D打印機EOS M290，進行便攜式跑道墊和液壓元件等復雜金屬零部件的生產。EOS M290采用直接金屬激光燒接技術（DMLS），使用400W光纖激光器產生的激光束，在氮氣氣氛保護下，依據EOSCAD數據，對超精細粉末金屬以層為單位進行燒結，直至打印出金屬零部件。EOS M290技術參數，如下表所示。
2.航空航天應用
德國航天中心借助3D Systems公司生產的第6款直接金屬3D打印機ProX DMP 320，使用激光束，在氬氣氣氛保護下，依據3D CAD數據，對鎳鉻基超耐熱合金LaserFormNi718粉末逐層熔融，為小型衛星液體火箭發動機打印出重復使用的噴射器（見圖1a）。由此，將30多個零散部件整合為1個整體式部件，同時直接減重10%，發動機混合燃燒效率顯著提高。
1a發動機噴射器 1b發動機渦輪泵 1c 溫度傳感器外殼
圖1 金屬3D打印在航空航天的應用
此外，在美國宇航局以液態甲烷為燃料的火箭發動機測試中，相比減材制造工藝所需零部件數減少45%的3D打印版渦輪泵（見圖1b）可產生600馬力（1馬力＝0.735kW）的動力，1min內向發動機的燃燒室提供600gal半低溫高壓液態甲烷，用以確保發動機產生超過10250.83kg的推力。
在波音777裝用的GE90-94B噴氣發動機中，T25壓縮機入口溫度傳感器的外殼（見圖1c）采用3D打印增材制造工藝，對鈷鉻合金的微細粉末進行逐層熔融而成，既輕量又堅固。在國產干線民用大飛機C919上，不僅裝用了自主產權的3D打印版鈦合金中央翼緣條（見圖2左），還在登機門、服務門及前后貨艙門等處裝載了23項3D打印版鈦合金零部件（見圖2右），使艙門件的生產由傳統鑄造工藝升級為直接金屬增材制造，并解決了鈦合金大型薄壁件的常見應力開裂和型面變形等問題。
圖2 金屬3D打印在國產飛機C919上應用
3.汽車制造應用
在汽車制造業內，金屬3D打印不僅被用于輪胎模具的制造，還用來加工特殊齒輪旋鈕、鑰匙鏈及尾門刻字等零部件。
米其林集團采用法孚集團研發的Fives 5軸激光中心（圖3左），進行MICHELIN CrossClimate+輪胎模具的3D打印，用以獲得全深度3D溝槽、自鎖定溝槽和V形胎面花紋，從而使子午線橡膠輪胎具有冬季雨雪路面持續移動、夏季干燥路面有效制動及磨損胎面新溝槽持續牽引等優勢。這也為山東豪邁、廣東巨輪等輪胎模具制造企業提供了3D打印實際案例和前沿經驗。Fives 5軸激光中心及輪胎模具如圖3所示。
圖3
吉凱恩等公司采用惠普提供的3D打印工藝HP Metal Jet——三維黏合劑噴射成形，為大眾汽車配套生產了換擋桿、個性化定制版鑰匙鏈、發動機指形從動滾輪、格子支撐式輕量化齒輪等金屬型零部件（見圖4）。
圖4 惠普3D打印的汽車用金屬制品
HP Metal Jet是在粉末床上雙向鋪設薄薄的一層微細金屬后，熱噴墨打印噴頭透過該層并噴射黏合劑——水基聚合物液體劑，黏合劑經毛細作用力浸入金屬粉末（0.5-20μm）間隙呈均勻分布，并在高溫輻照下將粉末顆粒熔合在一起成為固體塊，同時溶劑部分揮發，逐層打印，直至結束，取出零件并進爐燒結。HP Metal Jet提供了4倍冗余噴嘴和2倍打印桿，使打印零件的致密度達到93%，生產效率大幅提高，黏合劑用量明顯減少。HP Metal Jet工藝過程如圖5所示。
圖5 HP Metal Jet工藝過程
金屬3D打印發展對策
針對當前的金屬3D打印技術，如噴墨沉積成形（NPJ）、激光粉末燒結成形（DMLS、SLS）、激光粉末熔覆成形（SLM）、激光近凈成形（LENS）、電子束熔化技術（EBM），均離不開適合金屬材料的及時供應、工業化大功率能量的提供、優異機械耦合性能的匹配、高速運算批處理系統應用、高效傳輸速率網絡的搭配、成形零件后處理工藝輔助、高水平設計應用人員配置等。唯有這樣，金屬3D打印才能從大投入高層面的單機應用迅速走向低成本大眾化的規模集成。
1.適合金屬材料的及時供應
適合形態的金屬材料是金屬3D打印必需的工作介質，類似于液壓（氣壓）裝置離不開液壓油（壓縮氣）。3D打印的金屬材料既有絕大多數的粉末顆粒狀，也有極少數的納米液態狀。這些基于鋁、鋼、鎳等不同成分的金屬材料的供應流速、加熱溫度、黏合劑添加量、所需激光/電子束能量大小、鋪粉速度、堆積層厚等數據，均以工藝參數包的形式納入到各3D打印裝備的隨機材料數據庫內，由用戶根據所需個性化產品的最佳剖面性能（如機械強度、沖擊強度、熱穩定性、尺寸穩定性和生物相容性等）進行選用和微調。也就是說，金屬3D打印只有做到工作介質、打印裝備、工藝參數的一致協調，用戶才能獲得較高工業標準的創新零件。
2.工業化大功率能量的提供
在金屬3D打印中，粉末顆粒至懸浮液/漿料的形態轉變、層間黏合劑的高溫揮發及EBM造型臺的整體預熱，均離不開工業化大功率能量的提供。除EBM采用電子束（見圖6a）作為能量源外，其他3D打印技術多用光纖激光器（見圖6b）作為能量源。
6a 電子束 6b 掃描熔化用激光器 6c 粉末熔覆用激光器
圖6 金屬3D打印所需的能量源
能量源的功率高低制約著金屬3D打印的堆積/熔覆效率，能量源的功率因數大小關系著電能的有效利用，能量源的工況適應性影響著了增材制造的高效發揮。因此，為金屬3D打印裝備選配具有較寬功率范圍、極高電光轉換效率、卓越穩定性、極佳光束質量、穩定光束指向、工作波長范圍廣等特點的光纖激光器是非常有必要的。用于增材制造的國外激光器主要有相干（COHERENT）公司的Monaco激光器，通快（TRUMPF）公司的TruFibe激光器，IPG公司制造的摻鐿、摻鉺、摻銩和拉曼連續激光器等。
3.優異機械耦合性能的匹配
在激光金屬堆積應用中，包含TruPrint 3000（見圖7）在內的各款3D打印機既離不開可快速切換的成形缸和除粉缸，也離不開高速處理的粉末刮粉和激光照射；既離不開工作臺200-300℃的預熱，也離不開光纖激光器的抓持；既離不開堆積中煙塵的處理，也離不開運行中狀態/性能/流程的監測。
圖7 TruPrint 3000打印機
在激光金屬熔覆應用中，包含TruLaser Cell 3000在內的多軸激光加工機床既離不開激光加工頭的快換以轉變機床工藝——熔覆、焊接或切割，也離不開高動態運動單元的配置以快速精準定位；既離不開高精確度測量系統的使用以進行位置閉環控制，也離不開雙工作臺的交換，讓生產與裝載同時進行等。
基于上述眾多零部件的協作配合，激光金屬堆積/熔覆設備必須具備優異的機械耦合性能和動態響應特性，方可保證增材制造產品的成形質量、建造效率和生產成本。相應措施有：經直線電動機縮短進給傳動鏈、作第1測量系統的內裝型編碼器測量速度和識別轉子位置，以及作第2測量系統的直線光柵尺檢測工作臺的位移等。
4.高速運算批處理系統應用
在金屬3D打印中，具備高速運算和批處理性能的數控系統是必不可少的。作為神經中樞，不但控制著激光堆積/熔覆的工藝路徑，而且聯動著工作臺的平移/旋轉，還協同著粉末鋪設、層間刮粉、操作門開/閉、冷卻水通/斷等輔助動作。它的聯動軸數決定著3D打印產品的空間復雜性，擴展軸數制約著3D打印裝備的智能化程度。
為此，有必要配置高性能極快運算速度的32位甚至64位多核微處理器（CPU），高穩定性、低延遲可糾錯的大容量內存，及高位寬、大容量、快響應的顯存等，如FANUC 31i、SINUMERIK840Dsl、MITSUBISHI M800、TNC 640、HNC-848及GSK 980MDi等數控系統。
5.高效傳輸速率網絡的搭配
隨著金屬3D打印的工業化推進，更多的機床、復雜的造形、可控的粉末、快換的工裝、可視的狀態、集束的激光等模塊化組件，通過低延遲多節點的互聯網絡，不斷地集成進生產流程內。物料供應、設備運行、能量利用、造形質量、財務報表、生產控制、訂單管理、售后反饋等眾多數據，都可在高效傳輸速率的以太網絡輔助下，實時圖形化顯示在可視化終端上，以備用戶及時反應并優化調整。網絡化措施有引入5G網絡，建設云平臺，成立數據部門——規章建制，給定數據規范——命名、編碼及安全等，劃分數據層級——在設備端、公司層或云平臺處理，優化數據流程等。金屬3D打印網絡化拓撲如圖8所示。
圖8 金屬3D打印網絡化拓撲
6.成形零件后處理工藝輔助
在金屬3D打印中，建造完的零件會存在諸多缺陷，既有間隙缺陷和材料自身的物理性能缺陷，也有內應力大、硬度不夠、可塑性低等實際性能問題。只有輔助相應的后處理工藝來解決零件缺陷，才能使其滿足應用要求。
常見的后處理工藝有清除多余粉末——氣吹或清洗等，去除打印支撐，底板上切割掉打印件，熱處理去內應力，表面拋光——拋光機、液體電解質拋光或干式電解拋光等，精細加工——減材切削的常規手段等。這些工藝需要與3D打印的金屬材料、打印技術及零件形狀相匹配，有時僅采用一種工藝，有時會采用多種不同的工藝。無論哪種后處理工藝，在3D打印的規模集成化階段，都應考慮進批量化、自動化、數字化和信息化的發展要求。
7.高水平設計應用人員配置
智能工廠并不是無人工廠，它實際是機器、自動化裝置、控制軟件和設計/應用人員進行完美協作的一個網絡化運行空間。隨著個性化定制需求的規模擴大，所需零件的造形愈來愈復雜多變，但零件的批次數量會持續降低至單件。這就迫切需求大量的設計人員在CAD/CAE平臺進行零件的3D造形，需求應用人員根據CAD數據網絡操作打印機，需求維護人員隨時處理工廠運行中的突發問題。也就是說，高水平的運維隊伍是未來單件批次性工廠內創造效益的重要因素，是持續減少間接流程（即加工時間1h的零件需要4h的間接工作）的直接要因。
（來源：《世界制造技術與裝備市場（WMEM）》雜志2019年第4期 作者：劉勝勇 中國重汽集團濟南橋箱有限公司）
