赫格納斯(Hoganas)：面向批量化生產(chǎn)的增材制造技術(shù)-粘接噴射金屬打印

導(dǎo)讀：2022年12月20日開(kāi)展的“增材制造Binder Jetting粘結(jié)劑噴射成形技術(shù)論壇”云集了惠普、易制、三帝科技、維捷、Desktop Metal、Digital Metal等眾多廠商。在此次增材制造Binder Jetting粘結(jié)劑噴射成形技術(shù)論壇上，國(guó)內(nèi)外知名的幾個(gè)相關(guān)廠商做了非常有深度的分享交流。來(lái)自DigitalMetal-赫格納斯 (中國(guó))有限公司的業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理趙小根以”面向批量化生產(chǎn)的增材制造技術(shù)-粘接噴射金屬打印“為題展開(kāi)了分享。粘接噴射金屬打印的批量化生產(chǎn)需要考慮什么問(wèn)題？赫格納斯都有哪些技術(shù)方案？讓我們聽(tīng)一聽(tīng)趙小根是如何做出解答的。



在此次分享交流會(huì)上，趙小根主要圍繞四點(diǎn)進(jìn)行分享，包括赫格納斯(Hoganas)的介紹、粘接噴射打印技術(shù)介紹、關(guān)于實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)的幾點(diǎn)思考，以及赫格納斯的解決方案。

一、赫格納斯的介紹

赫格納斯是一家專(zhuān)門(mén)做金屬粉末的公司，是冶金行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，總部在瑞典南部的一個(gè)小鎮(zhèn)中，在全球十一個(gè)國(guó)家擁有18個(gè)生產(chǎn)基地，提供3500多種產(chǎn)品，面向粉末冶金、表面噴涂、增材制造等行業(yè)，目前公司主要分為三大業(yè)務(wù)板塊，分別為，粉末冶金及磁性材料技術(shù)、表面及連接技術(shù)和定制技術(shù)。其中，定制技術(shù)業(yè)務(wù)又分為兩個(gè)板塊，Digital metal設(shè)備和打印服務(wù)板塊，和粉末板塊。

二、粘接噴射打印技術(shù)



技術(shù)分類(lèi)
目前3D打印的技術(shù)多種多樣，金屬3D打印中較為流行的是粉末床融化等，3DP工藝在近些年發(fā)展的也十分迅速。它的主要原理是通過(guò)粘接劑層層粘接粉末，與SLM相比，相當(dāng)于將激光改為粘接劑從而構(gòu)建三維模型。
BJ工藝過(guò)程



整個(gè)工藝過(guò)程可以分為五步，首先利用建模三維模型生成STL格式文件，打印機(jī)接收到文件信息，進(jìn)行打印，打印后進(jìn)行固化清理個(gè)粉末的回收利用，然后進(jìn)入燒結(jié)階段，最終產(chǎn)品完成。整體而言，粘接噴射技術(shù)是一種高精度，零浪費(fèi)且非常高效的3D打印技術(shù)，適合小零件大批量生產(chǎn)。
技術(shù)特點(diǎn)
●打印過(guò)程是沒(méi)有支撐的，節(jié)省材料的同時(shí)不需要去除支撐，極大的提高了表面質(zhì)量（相比于SLM）
●室溫打印
●打印的材料也比較豐富
●打印完成且經(jīng)后處理后，零件的表面粗糙度在2um左右

目前Digital metal主推DM P2500打印機(jī)和DMP Pro打印機(jī)，P2500的打印體積為255*217*70mm,打印速度在50-500cc/h。

綜上所述，BJ打印既具有AM本身的優(yōu)勢(shì)，也具有自身的優(yōu)勢(shì)：
AM的優(yōu)點(diǎn)：
●短時(shí)驗(yàn)證新幾何結(jié)構(gòu)
●可以生產(chǎn)傳統(tǒng)加工中難以制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)
●可多次迭代打印，同時(shí)節(jié)省時(shí)間
●可定制化單一零件，無(wú)額外成本
●制造周期短，交期短

使用Digital Metal技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：
●更高的分辨率和粗糙度
●尺寸精度更高
●可以重復(fù)高效生產(chǎn)
●無(wú)支撐、縮短后處理過(guò)程，無(wú)廢料
●室溫打印，不要保護(hù)氣體
●打印材料可以重復(fù)利用

三、關(guān)于實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)的幾點(diǎn)思考



趙小根表示目前粘接劑3D打印還在產(chǎn)業(yè)化的前期，主要難點(diǎn)主要集中在幾個(gè)方面：
●粘接強(qiáng)度
●燒結(jié)工藝
●收縮率與尺寸精度
●性能穩(wěn)定性
●生產(chǎn)效率
●目標(biāo)市場(chǎng)與目標(biāo)零件

什么樣的粘接劑比較適合？



在進(jìn)行粘結(jié)劑打印前需要著重思考幾個(gè)問(wèn)題，比如粘結(jié)劑是水性的還是油性的？是否需要環(huán)保性？干燥性能如何？流動(dòng)性是否足夠？揮發(fā)性、潤(rùn)濕性、化學(xué)性能、價(jià)格如何？

什么樣的燒結(jié)工藝比較適合？



燒結(jié)工藝十分關(guān)鍵，直接關(guān)系到零件的最終性能，研發(fā)人員需要考慮以下幾個(gè)方面;
●燒結(jié)溫度和速度的設(shè)定
●脫脂和燒結(jié)是否在同一塊進(jìn)行
●保護(hù)氣氛使用哪種，保護(hù)氣氛對(duì)材料是否有額外的影響

收縮率怎么控制？



多數(shù)情況下是軟件補(bǔ)償，反向設(shè)計(jì)，達(dá)到想要的零件尺寸。軟件補(bǔ)償需要龐大的數(shù)據(jù)積累，結(jié)構(gòu)不同、材料不同、燒結(jié)不同，零件的收縮率都是不同的。研究人員需要建立相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)，擁有大量的經(jīng)驗(yàn)積累。

批次間的穩(wěn)定性怎么樣？生產(chǎn)效率怎么樣？

批次間的穩(wěn)定是保證批量生產(chǎn)的重要一環(huán)。目前Digital Metal在誤差相同批次間的標(biāo)準(zhǔn)誤差可以小于0.2%，不同批次間的標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.4~0.5%。

目標(biāo)市場(chǎng)在哪里？



赫格納斯在多年間一直試圖去找適合粘接劑噴射技術(shù)的一個(gè)合適的市場(chǎng)，找到合適的案例帶動(dòng)粘接劑噴射工藝。另外一個(gè)方面，工程師也在進(jìn)行工藝可行性的分析，但不管怎么樣，都需要找到技術(shù)源頭，赫格納斯主要聚焦于小零件大批量生產(chǎn)，更好的控制收縮。

如何實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)？



想要實(shí)現(xiàn)批量化，就必須實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，機(jī)器人全程操作。赫格納斯更傾向于使用高度自動(dòng)化，趙小根表示一定的高度自動(dòng)化，是可以提高各個(gè)打印步驟間的準(zhǔn)確度，在一定程度上可以助力批量化生產(chǎn)。

四、赫格納斯的解決方案



趙小根在這一部分主要分享了赫格納斯的合金開(kāi)發(fā)和粉末生產(chǎn)與檢測(cè)控制。3D打印本身還有很多需要攻克的難點(diǎn)，比如高質(zhì)量的粉末制造，成型精度的控制，CAD系統(tǒng)，后處理過(guò)程，粉末處理過(guò)程，打印參數(shù)的設(shè)定等。赫格納斯站在粉末使用角度，從十二個(gè)方面為用戶(hù)提供解決方案，努力給客戶(hù)傳遞價(jià)值：



●對(duì)用戶(hù)應(yīng)用需求的了解
●根據(jù)需求，選擇合適的工藝進(jìn)行生產(chǎn)
●調(diào)整粉末的性能
●結(jié)合公司內(nèi)部的質(zhì)量管控
●給顧客提供適合的高性能的粉末
●進(jìn)行全球化的供應(yīng)
●和客戶(hù)共同開(kāi)發(fā)應(yīng)用
●多年數(shù)據(jù)積累，比如燒結(jié)數(shù)據(jù)、收縮數(shù)據(jù)
●打印實(shí)驗(yàn)
●粉末運(yùn)輸和儲(chǔ)存方案
●零件后處理探索
●粉末回收有助于綠色新能源

由于時(shí)間原因，趙小根重點(diǎn)介紹了其中的幾個(gè)方面：
材料開(kāi)發(fā)



不同的工藝對(duì)于材料的需求是不同的，所以赫格納斯會(huì)先了解客戶(hù)的需要在此基礎(chǔ)上，研發(fā)專(zhuān)用的材料。會(huì)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行一些仿真計(jì)算，合金測(cè)算等，然后確定一定的方案，進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，包括合金優(yōu)化、粉末性能優(yōu)化。然后進(jìn)行物理性能檢測(cè)，比如相變和熔點(diǎn)的檢測(cè)，最后進(jìn)入打印機(jī)進(jìn)行過(guò)打印機(jī)參數(shù)優(yōu)化，測(cè)試機(jī)械性能。這其實(shí)是一個(gè)不斷循環(huán)，螺旋上升的過(guò)程。

Fin Powder Atomization(FPA)生產(chǎn)線(xiàn)



在粉末生產(chǎn)環(huán)節(jié)，赫格納斯于2021年投產(chǎn)了全新的FPA生產(chǎn)線(xiàn)，專(zhuān)門(mén)為BJ工藝提供性能優(yōu)異的粉末方案。具有穩(wěn)定性好、性?xún)r(jià)比高的優(yōu)勢(shì)。

粉末系列



赫格納斯可以提供多種材料，Ni基、Co基、Fe基等系列，其中Fe基系列較為成熟，Ni基、Co基等還在探索階段。赫格納斯在上海設(shè)有燒結(jié)實(shí)驗(yàn)室，可以為用戶(hù)提供支持，實(shí)現(xiàn)更好的性能和產(chǎn)能。

燒結(jié)實(shí)驗(yàn)室



趙小根呼吁大家不僅需要關(guān)注打印機(jī)的制造，材料性能的選擇，也要關(guān)注燒結(jié)部分。零件結(jié)構(gòu)的性能能否滿(mǎn)足要求與燒結(jié)過(guò)程有直接影響，但目前的研究還較少。

粉末運(yùn)輸和儲(chǔ)存方案



批量生產(chǎn)對(duì)粉末的要求是很高的，赫格納斯針對(duì)粉末市場(chǎng)設(shè)計(jì)粉末運(yùn)輸和儲(chǔ)存方案，配合GPS、VMI系統(tǒng)等系統(tǒng)進(jìn)行使用，用戶(hù)可以輕松了解粉末的生產(chǎn)情況，實(shí)施監(jiān)控等。赫格納斯可以為用戶(hù)提供高品質(zhì)粉末服務(wù)。

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