重磅:刹车盘金属涂层新规,激光熔覆金属3D打印市场有望爆发

3D打印汽车交通
2021
11/23
10:33
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南极熊导读:欧盟推出一个新的汽车行业标准,2026年,所有的汽车刹车盘都需要做一个表面处理——一项新的金属涂层,减少制动粉尘,增加使用寿命、提升安全性。南极熊驻欧洲志愿者在Formnext2021展会上看到,已经有一家德国公司推出了专门针对这个金属涂层的高速激光沉积金属3D打印系统,在刹车盘市场应用空间非常大。激光送粉金属3D打印厂商要注意把握这个机会。
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△使用极高速激光金属沉积3D打印工艺涂覆刹车盘

有调查表明,制动系统市场预计将从2021年的209亿美元增长到2026年的265亿美元,复合年增长率为4.9%。盘式制动器细分市场预计将成为制动类型最大的市场。然而,为了保障良好的制动力、散热性和磨损问题,刹车片的表面处理将会是未来的关键。3D打印技术或成为解决这一问题的途径,撬动未来的制动系统市场。

常规的刹车盘通常采用灰铸铁(HT250)来制造,这种材料成本低、加工性能好。然而,缺点是活性高,与空气接触极易发生氧化,生成铁锈。如果制动盘在使用过程中遇水还会发生电化学反应,短时间就会产生锈斑。因此,表面处理工艺成了刹车盘性能的关键。

最常见的方法是在刹车盘的表面进行涂层处理。多年来,研究人员尝试了各种沉积技术进行涂层转化。但大部分过程相对复杂,并且在成本上也相对昂贵。随着人们对健康和环境问题的关注度上升,对于刹车片表面处理以及报废标准也越来越严格,这促使制动系统市场向更加方便、快捷、经济的表面处理方式倾斜。南极熊发现,有这样一家3D打印公司似乎抓住了这一机遇。

CHIRON Group和AM Coating

德国CHIRON Group是世界领先的加工中心和解决方案供应商之一,在全球范围内设有生产和开发基地、销售和服务子公司和代理机构。通过增材制造,集团扩展了金属加工和自动化核心竞争力,并提供完整的解决方案。这家公司有一种制动盘涂层金属3D打印系统:AMCoating,使刹车盘涂覆两个保护层,防止腐蚀和磨损,减少细小灰尘。

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△3D涂层的刹车片

AM Coating使用高速激光金属沉积焊接3D打印工艺,可实现最短循环时间和最佳层附着力。为了覆盖不同的细分市场,AM Coating将提供两个版本:AM Coating SINGLE,用于开发工艺参数和小批量生产的较小系统;AM Coating TWIN,用于批量生产的全自动系统。

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△激光熔覆金属3D打印的刹车片实拍,图/南极熊驻欧洲志愿者

极高速激光金属3D打印沉积 (EHLA)

为确保耐磨和耐腐蚀,同时加快保护层的涂覆过程,AM Coating使用了极高速激光金属沉积3D打印工艺,简称EHLA。这是弗劳恩霍夫激光技术研究所 ILT 和亚琛工业大学开发的一种新涂层工艺,从标准激光金属沉积工艺发展而来,非常适合制动盘的涂层。

1.jpg △使用 EHLA 工艺涂层的成品制动盘
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△AM Coating

EHLA的创新点在于:金属粉末颗粒被吹入激光束并在那里熔化,而不是在熔池中熔化。因此,与标准激光金属沉积相比,这种方法可实现更高的涂层速度。这和SPEE3DTitomic等公司的冷喷涂技术似乎有些相似。不同的是,上述两种冷喷涂技术通过将金属粉末以超音速从喷嘴喷到基材上,发生塑性形变并粘附在基材表面上。

普通的激光材料沉积,产生的涂层厚度通常至少为半毫米。这会消耗大量材料,也使精加工变得更加复杂。相比之下,EHLA 工艺可生产 25 到 250 微米之间的非常薄的层。因此,涂层更纯净、更光滑,粗糙度降低到之前的 1/10 左右; 材料利用率达90% 。因此,它具有极高的资源效率和经济性,这是在工业大规模生产环境中使用的基本要求。
左侧,传统激光熔敷焊接(LMD或激光金属熔敷);右侧,极高速激光金属熔敷 (EHLA).png
△左侧,传统激光熔覆焊接(LMD或激光金属熔覆);右侧,极高速激光金属熔覆 (EHLA)

目前,对于涂覆的常用技术是高速氧气燃料(HVOF)涂层,这是一种热喷涂工艺,能够用于改善或恢复部件的表面性质或尺寸,通过提高耐侵蚀、耐磨性和耐腐蚀性保护设备寿命。HVOF工艺通过专用喷嘴中产生的高温高速燃烧火焰流,然后将粉末轴送入火焰中,形成致密、强粘附涂层。虽然这种方法十分有效,但是危险性相当高,对于操作员的技术要求也很高,无形中增加了使用成本。

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△工艺链从六个减少到四个步骤

与HVOF喷涂的热涂层相比,AMCoating的EHLA工艺还拥有许多优势:无需对制动盘进行机械和热预处理,工艺链从六个减少到四个步骤。除了高速之外,EHLA还有优于氧气燃料喷涂的优势:
  • 通过分子键提高附着力
  • 粉体利用率高
  • 涂覆0.1毫米范围内的更薄层
  • 具有不同特性和厚度的层
  • 制动盘的热量输入更低,热影响区更小

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△激光熔覆金属3D打印涂层的主轴,图/南极熊驻欧洲志愿者

使用激光金属沉积技术的AM Cube

南极熊了解到,除了AM Coating之外,这家公司还拥有一种使用激光技术沉积技术的3D金属打印系统:AM Cube,也可以实现刹车盘表面处理过程。激光金属沉积技术将原料材料(基于Fe/Ni/Co)用激光束熔化,并通过冶金结合熔合到基材(钢或镍基合金)上。该工艺的好处之一是降低了热负荷,非常适合修复损坏、在选定点加固部件以及通过材料沉积恢复部件的原始几何形状。

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△AM Cube

这种沉积技术分为线基激光沉积(LMD-W)技术和粉末基激光沉积(LMD-P)技术,再搭配AM Cube最多5轴的的机械臂控制系统和西门子的组件,能够涂覆和修复尺寸最大为500毫米的部件、长达一米的圆柱形部件以及半成品的近净形生产。

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△多轴控制系统

线基激光金属沉积 (LMD-W):借助这项技术,激光束将基材(在本例中为线材)熔化,然后熔化物融合在一起并固化。由于工件是逐层构建的,因此可以创建复杂的几何形状。线材的一大优势是高沉积率。激光的灵活性使这项技术适用于精细表面和大堆积率。AM Cube中的材料进料采用同轴送丝形式,可在所有焊接方向上工作。材料以干净的方式进料,并100%被利用。为防止氧化,沉积过程在密封系统中使用保护气体进行。

激光金属沉积 - 线材 (LMD-W):1. 3光束激光器。2. 保护气体喷嘴。3. 线嘴。4. 保护气.png
△激光金属沉积- 线材 (LMD-W):1. 3光束激光器。2. 保护气体喷嘴。3. 线嘴。4.保护气区。5. 焊池。6. 焊道。7.粘附区。8. 基材。9. 线。

粉末基激光金属沉积 (LMD-P):这个过程也用于AM Cube。在这种情况下,送入熔池的原料是粉末形式,非常适合薄涂层。同轴喷嘴使该过程适用于任何焊接方向。

激光金属沉积 - 粉末 (LMD-P):1. 激光束。2. 粉嘴。3. 粉。4. 保护气区。5. 焊池。6..png
△激光金属沉积- 粉末 (LMD-P):1. 激光束。2. 粉嘴。3. 粉。4.保护气区。5. 焊池。6. 焊道。7.粘附区。8. 基材。

从“一点”出发,带动3D打印技术

或许你会觉得,这样一个小应用并不是非常“吸睛”。但是,随着全球电动汽车、飞机等交通工具的飞速发展,制动系统成了安全必不可缺的一环,需求量和普及率相当可观。有报告指出,亚太制动系统市场估计是增长最快的区域市场。中国、日本、韩国和印度越来越多地采用先进的制动系统技术。到2026年,中国乘用车产量预计将达到2400万辆,为国内外制动系统制造商提供了巨大的机遇。不仅乘用车,2026年,卡车也将达到200万辆。

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△切割环

如此大规模的需求势必对生产效率和速度有相当高的刺激作用。尤其是在疫情影响之后,市场更青睐于灵活、快速的制造方式。3D打印在此时入局加速了这项应用的发展,或许也将反作用于技术本身的推广,相辅相成。期待未来还会有更多这样的成功案例,让更多的人看到这项技术的未来!
3.jpg △国内外做激光送粉金属3D打印的厂商,即将迎来一个全新的量产级规模应用市场。图片/2021年中国3D打印格局

参考阅读:
1. Global $26.5 Bn Brake System Market to 2026: RegenerativeBraking to Create Lucrative Growth in EV Ecosystem
2. Aircraft Brake Discs Market Size By RegionalAnalysis(Europe, Asia Pacific, America, Middle East And Africa), By Demand& COVID-19 Impact Analysis, By Type, By Applications And Forecasts2021-2026
3. Laser metal deposition
4. AM Coating
5. AM Cube
6. Thermal spraying
7. Coatings for Automotive Gray Cast Iron Brake Discs: AReview






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2021-11-29 09:04:45 | 显示全部楼层
很有价值的应用方向
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