WMEM|金属3D打印从单机应用到规模集成

金属3D打印案例运用
 
　　现今，金属3D打印作为增材制造工艺的一个分支，因其具有简化装配件、减少部件数、下降资料费、完成轻量化等明显特征，正被接连运用于船舶、航空航天、轿车、医疗等工作中。
 
　　1.船舶工作运用
 
　　近期，美国海军水面战中心巴拿马城分部(NSWC PCD)自德国购入1台金属3D打印机EOS M290，进行便携式跑道垫和液压元件等杂乱金属零部件的出产。EOS M290选用直接金属激光烧接技能(DMLS)，运用400W光纤激光器发作的激光束，在氮气气氛维护下，根据EOSCAD数据，对超精密粉末金属以层为单位进行烧结，直至打印出金属零部件

2.航空航天运用
 
　　德国航天中心凭借3D Systems公司出产的第6款直接金属3D打印机ProX DMP 320，运用激光束，在氩气气氛维护下，根据3D CAD数据，对镍铬基超耐热合金LaserFormNi718粉末逐层熔融，为小型卫星液体火箭发动机打印出重复运用的喷射器(见图1a)。由此，将30多个零散部件整合为1个整体式部件，一同直接减重10%，发动机混合燃烧功率明显进步。

此外，在美国宇航局以液态甲烷为燃料的火箭发动机测验中，比较减材制造工艺所需零部件数减少45%的3D打印版涡轮泵(见图1b)可发作600马力(1马力=0.735kW)的动力，1min内向发动机的燃烧室供应600gal半低温高压液态甲烷，用以确保发动机发作超过10250.83kg的推力。
 
　　在波音777装用的GE90-94B喷气发动机中，T25紧缩机进口温度传感器的外壳(见图1c)选用3D打印增材制造工艺，对钴铬合金的微细粉末进行逐层熔融而成，既轻量又坚固。在国产干线民用大飞机C919上，不只装用了自主产权的3D打印版钛合金中央翼缘条(见图2左)，还在登机门、服务门及前后货舱门等处装载了23项3D打印版钛合金零部件(见图2右)，使舱门件的出产由传统铸造工艺晋级为直接金属增材制造，并处理了钛合金大型薄壁件的常见应力开裂和型面变形等问题。
 　3.轿车制造运用
 
　　在轿车制造业界，金属3D打印不只被用于轮胎模具的制造，还用来加工特别齿轮旋钮、钥匙链及尾门刻字等零部件。
 
　　米其林集团选用法孚集团研发的Fives 5轴激光中心(图3左)，进行MICHELIN CrossClimate+轮胎模具的3D打印，用以获得全深度3D沟槽、自确认沟槽和V形胎面斑纹，从而使子午线橡胶轮胎具有冬天雨雪路面持续移动、夏日单调路面有用制动及磨损胎面新沟槽持续牵引等优势。这也为山东豪迈、广东巨轮等轮胎模具制造企业供应了3D打印实践案例和前沿经验。Fives 5轴激光中心及轮胎模具

　HP metal Jet是在粉末床上双向铺设薄薄的一层微细金属后，热喷墨打印喷头透过该层并喷射黏合剂——水基聚合物液体剂，黏合剂经毛细作用力浸入金属粉末(0.5-20μm)空隙呈均匀分布，并在高温辐照下将粉末颗粒熔合在一同成为固体块，一同溶剂部分蒸腾，逐层打印，直至结束，取出零件并进炉烧结。HP metal Jet供应了4倍冗余喷嘴和2倍打印杆，使打印零件的致密度到达93%，出产功率大幅进步，黏合剂用量显着减少。

金属3D打印展开对策
 
　　针对当时的金属3D打印技能，如喷墨堆积成形(NPJ)、激光粉末烧结成形(DMLS、SLS)、激光粉末熔覆成形(SLM)、激光近净成形(LENS)、电子束熔化技能(EBM)，均离不开合适金属资料的及时供应、工业化大功率能量的供应、优异机械耦合功用的匹配、高速运算批处理系统运用、高效传输速率网络的调配、成形零件后处理工艺辅佐、高水平规划运用人员装备等。唯有这样，金属3D打印才华从大投入高层面的单机运用灵敏走向低本钱大众化的规模集成。
 
　　1.合适金属资料的及时供应
 
　　合适形状的金属资料是金属3D打印必需的作业介质，类似于液压(气压)设备离不开液压油(紧缩气)。3D打印的金属资料既有绝大多数的粉末颗粒状，也有极少数的纳米液态状。这些根据铝、钢、镍等不同成分的金属资料的供应流速、加热温度、黏合剂增加量、所需激光/电子束能量巨细、铺粉速度、堆积层厚等数据，均以工艺参数包的形式归入到各3D打印装备的随机资料数据库内，由用户根据所需个性化产品的最佳剖面功用(如机械强度、冲击强度、热安稳性、标准安稳性和生物相容性等)进行选用和微调。也就是说，金属3D打印只需做到作业介质、打印装备、工艺参数的共同和谐，用户才华获得较高工业标准的立异零件。
 
　　2.工业化大功率能量的供应
 
　　在金属3D打印中，粉末颗粒至悬浮液/浆料的形状改动、层间黏合剂的高温蒸腾及EBM造型台的整体预热，均离不开工业化大功率能量的供应。除EBM选用电子束(见图6a)作为能量源外，其他3D打印技能多用光纤激光器(见图6b)作为能量源。

能量源的功率凹凸约束着金属3D打印的堆积/熔覆功率，能量源的功率因数巨细关系着电能的有用利用，能量源的工况适应性影响着了增材制造的高效发挥。因此，为金属3D打印装备选配具有较宽功率规模、极高电光转化功率、杰出安稳性、极佳光束质量、安稳光束指向、作业波长规模广等特征的光纤激光器对错常有必要的。用于增材制造的国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公司制造的掺镱、掺铒、掺铥和拉曼接连激光器等。
 
　　3.优异机械耦合功用的匹配
 
　　在激光金属堆积运用中，包含TruPrint 3000(见图7)在内的各款3D打印机既离不开可快速切换的成形缸和除粉缸，也离不开高速处理的粉末刮粉和激光照射；既离不开作业台200-300℃的预热，也离不开光纤激光器的抓持；既离不开堆积中烟尘的处理，也离不开工作中状况/功用/流程的监测。
 
　　在激光金属熔覆运用中，包含TruLaser Cell 3000在内的多轴激光加工机床既离不开激光加工头的快换以改动机床工艺——熔覆、焊接或切开，也离不开高动态运动单元的装备以快速精准定位；既离不开高精确度测量系统的运用以进行方位闭环控制，也离不开双作业台的交换，让出产与装载一同进行等。
 
　　根据上述很多零部件的协作协作，激光金属堆积/熔覆设备有必要具有优异的机械耦合功用和动态照应特性，方可确保增材制造产品的成形质量、制造功率和出产本钱。相应方法有：经直线电动机缩短进给传动链、作第1测量系统的内装型编码器测量速度和辨认转子方位，以及作第2测量系统的直线光栅尺检测作业台的位移等。
 
　　4.高速运算批处理系统运用
 
　　在金属3D打印中，具有高速运算和批处理功用的数控系统是必不可少的。作为神经中枢，不光控制着激光堆积/熔覆的工艺途径，并且联动着作业台的平移/旋转，还协同着粉末铺设、层间刮粉、操作门开/闭、冷却水通/断等辅佐动作。它的联动轴数决定着3D打印产品的空间杂乱性，扩展轴数约束着3D打印装备的智能化程度。
 
　　为此，有必要装备高功用极快运算速度的32位甚至64位多核微处理器(CPU)，高安稳性、低推迟可纠错的大容量内存，及高位宽、大容量、快照应的显存等，如FANUC 31i、SINUMERIK840Dsl、MITSUBISHI M800、TNC 640、HNC-848及GSK 980MDi等数控系统。
 
　　5.高效传输速率网络的调配
 
　　跟着金属3D打印的工业化推动，更多的机床、杂乱的造形、可控的粉末、快换的工装、可视的状况、集束的激光等模块化组件，通过低推迟多节点的互联网络，不断地集成进出产流程内。物料供应、设备工作、能量利用、造形质量、财务报表、出产控制、订单办理、售后反响等很多数据，都可在高效传输速率的以太网络辅佐下，实时图形化显现在可视化终端上，以备用户及时反响并优化调整。网络化方法有引进5G网络，建造云渠道，成立数据部分——规章建制，给定数据标准——命名、编码及安全等，区别数据层级——在设备端、公司层或云渠道处理，优化数据流程等。


　6.成形零件后处理工艺辅佐
 
　　在金属3D打印中，制造完的零件会存在诸多缺陷，既有空隙缺陷和资料自身的物理功用缺陷，也有内应力大、硬度不行、可塑性低一级实践功用问题。只需辅佐相应的后处理工艺来处理零件缺陷，才华使其满足运用要求。
 
　　常见的后处理工艺有根除多余粉末——气吹或清洗等，去除打印支撑，底板上切开掉打印件，热处理去内应力，表面抛光——抛光机、液体电解质抛光或干式电解抛光等，精密加工——减材切削的常规手段等。这些工艺需要与3D打印的金属资料、打印技能及零件形状相匹配，有时仅选用一种工艺，有时会选用多种不同的工艺。不管哪种后处理工艺，在3D打印的规模集成化阶段，都应考虑进批量化、自动化、数字化和信息化的展开要求。
 
　　7.高水平规划运用人员装备
 
　　智能工厂并不是无人工厂，它实践是机器、自动化设备、控制软件和规划/运用人员进行完美协作的一个网络化工作空间。跟着个性化定制需求的规模扩展，所需零件的造形愈来愈杂乱多变，但零件的批次数量会持续下降至单件。这就火燎需求很多的规划人员在CAD/CAE渠道进行零件的3D造形，需求运用人员根据CAD数据网络操作打印机，需求维护人员随时处理工厂工作中的突发问题。也就是说，高水平的运维部队是未来单件批次性工厂内发明效益的重要因素，是持续减少直接流程(即加工时刻1h的零件需要4h的直接作业)的直接要因。