科技与产业碰撞!金属3D打印技术将应用于量产汽车

3D打印资讯
2021
07/11
21:46
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来源:中国粉体网

随着大众汽车公司持续坚定推动 3D 打印技术量产应用化,目前已经取得突破性进展,近期将首次在德国 Wolfsburg 工厂投入制造车辆零件。大众所使用的 3D 打印技术是以雷射从金属粉末中一层层将零件堆栈出来,为了取得足够强度,金属零件还会经过加热与塑形。

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图片来源:Pixabay

3D打印技术,又称增材制造(AM)技术,在工业领域体现出较强的灵活性、较高的设计制造自由性,能够满足航空航天、国防和医疗等领域的安全可靠和个性化需求,在这些领域得到了广泛的研究和应用。

1 金属3D打印主要技术

3D打印技术通过激光、电子束或电弧等提供高能热源,按照分层软件设定的路径将原材料以逐层熔凝堆积的方式成形一体化复杂结构件,是一种“从无到有”的材料添加成形过程。

目前,常用的金属3D打印技术包括:激光选区熔化(SLM)、直接金属激光烧结(DMLS)、电子束选区熔化(EBM)、电弧送丝增材制造(WAAM)、激光熔融沉积(LDMD)等。不同的3D打印工艺原理相似,主要为基于粉床铺粉和同轴送粉/丝两种模式实现构件的快速成形。

1.1 激光选区熔化技术(SLM)

在金属增材制造中,SLM是应用最普遍的技术之一,由Fraunhofer研究所于1995年在德国提出,利用激光选区熔化打印金属材料,图1为其技术原理图。SLM技术的激光器能量密度很高,能够直接用激光熔化粉体,不需要粘结剂,具有很高的成形性能。经过SLM技术制备的零件具备相当高的致密度,力学性能优异,非常适合实际工程应用。

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1.2 电子束选区熔化技术(EBM)

EBM技术,其技术原理为: 采用电子束焊接工艺在真空环境中,熔化金属粉末材料,然后按照设定的路径逐层堆积而成形出金属制件。通过EBM技术可以成形结构复杂、成分纯度高的金属零件,但是其成形尺寸受到了粉体环境与车床的限制。设备示意图见图2。

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1.3 激光熔融沉积(LDMD)

LDMD技术也称为激光堆焊技术,早在二十世纪六十年代就被提出,通过使用高能激光在两个金属材料表层之间形成熔覆层,然后经快速固化得到性能良好的涂覆层。但是受到工艺与残余应力等影响,熔覆层常常存在缺陷,在成形精度、成本等方面仍有不足。技术原理图见图3。

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2 现有国内外金属 3D 打印材料

3D 打印用金属材料的化学成分包括主要金属元素和杂质成分,主要金属元素常用的有 Fe,Ti,Ni,Al,Cu,Co,Cr 及贵金属 Ag,Au 等。不同的金属 3D 打印技术所对应的打印材料有所不同。

2.1 金属 3D 打印丝材

金属 3D 打印的丝材主要集中在不锈钢、钛、铝等材料,如铜、金、镍等其他的金属 3D 打印材料只处在研发试用阶段,其主要缺点为性能单一、价格昂贵。

金属打印丝材可以采用电弧增材制造技术(WAAM) ,是以电弧为载能束,热输入较高,适用于大尺寸复杂构件,通过分层扫描和堆焊的方法来制造钛合金、铝合金等金属元件。TIG 电弧增材制造技术是在钨极氩弧焊接方法的基础上改良而形成的一种技术,主要的研究对象有铝合金、钛合金、不锈钢;MIG 电弧增材制造技术主要采用直接熔丝的方法进行堆焊,此项技术大多数主要研究其成形工艺和力学性能,主要研究对象有铝合金、钛合金。

2.2 金属 3D 打印粉材

相对于金属丝材的增材制造技术的单一性,其在粉材的打印中得到了更多的发展应用,例如选择性激光烧结(SLS) ,利用激光高温使粉末间发生烧结反应而连接,常用到的金属材料主要有覆膜金属及金属与非金属的复合粉末; 激光选区熔化技术(SLM),可用于不锈钢、铝合金、钛合金、镍铬合金等粉末打印材料,如图4所示。激光熔敷沉积(LCD) 技术,该技术可用于钛合金、不锈钢粉、铜合金等作为粉末成形材料进行打印成形,同时还可使用 WC/Co,TiC,VC 等硬金属及 Al2O3,TiO2等陶瓷材料进行成形,由于相对于传统焊接工艺产生的残余热应力小,常用于汽轮机、叶片、涡轮盘的损害修复; EBM 技术可用于工具钢、钛合金、镍合金,甚至耐火的铝合金等导电金属材料。直接金属激光烧结(DMLS) ,可对大型转动设备重要零部件,如齿轮、轴、叶片、阀门及模具等进行磨损、腐蚀和冲蚀后的修复。

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图4 SLM 直接打印的零件  图片来源:焊接期刊

3 金属 3D 打印的优势

与传统技术相比,金属 3D 打印技术拥有如下优势: 通过逐层堆积材料进行加工,而不是去除多余材料进行加工,减少材料浪费; 可以制造出传统生产技术无法制造出的复杂外形结构,其制作程序简单有效; 能够快速有效个性化生产,适用范围更广。

4 未来挑战与趋势

由于中国市场对金属材料 3D 打印的接受度仍处于初期阶段,3D 打印技术在中国生产制造行业的渗透率的确还远不如美国、德国等国家。传统高能束金属增材制造痛点如下图:

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图片来源:曲选辉教授

金属3D打印无疑已成为一种十分先进的高性能材料和零部件绿色制造技术,具有广阔的应用市场。金属3D打印在当前是传统制造业的有力补充,在将来可能是制造业的主要成形技术之一。开发粉体材料设计技术(材料基因工程)、智能化生产技术,进一步提升新技术的生产效率和产品质量,降低生产成本,是金属3D打印未来的发展重点。

参考来源:
【1】常坤,等.金属材料增材制造及其在民用航空领域的应用研究现状.材料导报.2021年.
【2】张忠伦,等. 增材制造用金属材料的研究现状.中国建材科技.2021年,30(1).
【3】段宣政,等. 国内外金属3D打印材料现状与发展.焊接.2020年.
【4】曲选辉.金属近球形粉末低成本制造与高效打印成形新技术.


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