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最新消息| 如何利用不同金屬3D打印技術——FDM、BJ、L-PBF與MIM技術的比較 | 2022-08-09 |
| 文章来源：由「百度新聞」平台非商業用途取用"https://www.163.com/dy/article/HAUL96TI0532907I.html" 導讀：引言：近年來，人們越來越喜歡談論使用粘結劑噴射成型技術和FDM技術來生產中小批量金屬零件。德國咨詢公司Ampower做了一項調查，研究了金屬粉末注射成型技術（MIM）是如何帶動這些技術創新的，為了讓設計者更好了解3D打印技術應用在商業生產中的可能性，他們還對比了這些技術的關鍵性能和所需成本。隨著電子行業、航空航天以及汽車制造等先進制造業的蓬勃發展，制造領域對精密金屬制造零部件的要求也越來越高。提到精密金屬加工工藝，最頻繁被提及的便是金屬粉末注射成型技術（MIM）。MIM技術起源于20世紀70年代，因為研制出了性能更好的粘結劑，該技術普及度便日益廣泛。經過幾十年發展，如今全球MIM零部件總銷售額已經超過20億歐元，年復合增長率在10-20%之間。MIM主要應用在家用電子產品、醫療設備、汽車零部件、手表和電動工具等對精密零件有高要求的行業中。ARC集團使用MIM技術制造的不銹鋼作品在電子電氣組中獲得MPIF特等獎MIM技術制造的零件尺寸通常在5-50mm之間，也可以制造一些重量只有0.02g的微米級尺寸零件，但卻很難做到超過1kg的大零件。因此，能支持大尺寸精密金屬零件生產的增材制造工藝應運而生。由MIM技術衍生出的新金屬增材制造工藝增材制造技術已經有三十多年的發展歷史，在過去五年里，由于工業生產中廣泛應用這項技術來制作功能部件，使其得到迅速發展。隨著MIM技術的不斷成熟發展，一些公司開始開發和MIM共用脫脂和燒結工藝的新型金屬增材制造工藝，目前逐漸興起的就是由使用金屬線材（或粒料）的熔融沉積成型技術（FDM）、和粘結劑噴射成型技術（BJ）；我們把這兩種新型金屬增材技術和廣泛使用的激光粉末熔融技術（L-PBF）做對比，來分析三種工藝。三種金屬增材制造成型技術1.金屬熔融沉積成型技術（FDM）金屬熔融沉積成型技術（FDM）和一般的塑料FDM在工藝過程上相同，通過熔融擠出并層層疊增的方式成型，區別是所用的耗材多為金屬粉末與有機粘結劑的混合物。全球目前有三家主要企業提供端到端的解決方案，包括美國的Markforged和DesktopMetal公司，以及中國的Raise3D公司（復志）。金屬熔融沉積成型FDM技術原理2.粘結劑噴射成型技術（BJ）粘結劑噴射成型技術是?種通過噴射粘結劑使粉末成型的增材制造技術，和許多激光燒結技術類似，以粉床為基礎，使用噴墨打印頭將粘結劑噴到粉末里，將粉末進行層層粘合，實現成型，該技術早期重點研究砂模鑄造成型。初步發展后，美國ExOne公司（后被DesktopMetal收購）將該技術進一步開發以用于金屬粘接成型。BJ粘結劑噴射成型技術原理3.激光粉末床熔融技術（LB-PBF）激光粉末床熔融技術（L-PBF），也稱為選擇性激光熔化，是一種基于粉末床的增材制造工藝，采用高能激光束逐點掃描實現粉末冶金結合，從而打印過高性能零件。這3種金屬增材制造工藝在零件設計、機械性能和成本方面都有各自特定的優勢和限制。接下來，3D打印技術參考將從零件質量和經濟價值兩大方面對這3種工藝進行分析，為潛在用戶找到各個使用場景所適用的技術。工程的關鍵：材料，質量，設計1.材料種類材料選擇的多樣性和性能都是影響新技術發展的關鍵因素。目前，由于激光粉末床熔融（L-PBF）技術發展時間較早，積累了大量可用材料，包括鋁合金、鈦合金、鎳基合金、鐵合金和貴金屬合金，另外還有其他正在開發的材料，如鎂合金。從理論上講，任何可焊結的材料都可以用LB-PBF技術來加工。大量研究和論文重點關注這些合金的性能，這意味著工程師可以對這項技術的前景發展充滿信心，L-PBF技術的接受度比其他研究成果較少的工藝高很多。如今17-4PH和316L不銹鋼是用于粘結劑噴射技術和金屬熔融沉積成型技術（FDM）的主流材料。不過，3D打印技術參考已經報道過Ti6Al4V、鋁合金以及銅合金均可已實現基于燒結的3D打印工藝突破。實際上，所有已知的MIM合金都可用于以燒結技術為基礎的金屬增材制造。因此對于銅和硬質合金材料而言其未來發展可以有更高預期——它們在L-PBF技術中較難進行打印。2.材料性能這項研究選擇了316L和17-4PH來比較使用L-PBF、MIM、金屬FDM和粘結劑噴射工藝制造的零件性能。測試結果基于八個不同系統供應商提供的五十多個樣本。完整的測試流程包括拉伸測試、硬度測試、表面粗糙度測量、顯微觀察和μCT分析。結果報告將重點關注硬度測量和致密度測試，這也是金屬零件質量的重要考量因素。致密度是金屬材料具備的重要特性，其次是抗拉伸強度和疲勞特性。致密度同時能保證設計的氣密性和水密性。這些情況中，部件密度低則必然要增加壁厚，才能避免部件的滲漏。為了進行密度分析，用顯微鏡來檢驗每種工藝制造的零件的顯微形貌，測試的樣本來自幾個粘結劑噴射技術和金屬熔融沉積技術制造商，還有MIM和LB-PBF技術的樣本。結果顯示，各種技術的孔隙在大小、形狀和分布情況都存在明顯差異（如下圖）。對于所有以燒結技術為基礎的工藝，導致差異最可能的原因是脫脂和燒結的方案不同（采用第二代的硝酸草酸催化脫脂法相比第一代的溶劑脫脂法的致密度更高），而不是因為不同的打印工藝。值得一提的是，所有FDM和BJ工藝打印的樣品密度都超過了95-97%的標準MIM燒結密度范圍，這些樣品的供應商均面向軍工需求。圖：粘結劑噴射、金屬FDM、MIM和LB-PBF的金相孔隙分析為了盡量減少燒結溫度和工藝流程的其他因素對機械性能的影響，還為了讓工藝可比性更強，所有樣本在燒結后都額外進行了相同的熱處理。所有樣本都放在1040°C真空環境內進行了一個小時的固溶處理。17-4PH樣本進行了4小時550°C的硬化。圖1、2是硬度測量的結果。從結果中可以看出，以燒結技術為基礎的新興增材制造工藝達到了ISO22068對316L對MIM技術的要求數值，17-4PH也接近超過了ASTM的標準值。圖117-4PH的硬度（HV）圖2在1040°C下固溶處理316L的硬度（HV）3.設計自由度與傳統工藝相比，增材制造技術提供了更多的設計自由度。但是在使用L-PBF技術時，殘余應力和支撐結構的要求給設計過程增加了限制。雖然粘結劑噴射技術在制造過程中不需要支撐，但是燒結過程為了避免部件變形可能需要增加額外支撐。使用陶瓷支撐可以作為一種替代方式，將其放在在燒結過程容易變形的部位可以將部件固定住。這種方式只能用在大規模生產中，才能抵消成本的增加。尺寸方面，MIM部件相對較小，通常大小只有50mm甚至更小。這種限制的原因在于脫脂和燒結工藝。實際上，脫脂工藝將材料厚度限制在5-10mm。超過這個厚度，脫脂時間就會成倍增加，或者根本無法完成脫脂。除此之外，燒結需要的溫度接近材料熔點，當零件過大或者是結構較為復雜時，則容易變形。同時，在燒結過程中，部件有明顯收縮，因此需要對零件模型進行提前縮放。使用基于燒結的金屬3D打印技術時，限制仍然存在。由于燒結過程中尺寸變形狀況無法預測，需要測試多次來把握燒結期間會產生的變形情況，這也導致新興的3D打印工藝只能制造簡單的幾何零件，要制作復雜零件就要不斷試錯。4.表面質量金屬增材制造的另一個重要評價標準是表面質量，高精度和低表面粗糙度都能避免額外的機械后處理。L-PBF制造的零件表面質量經常被拿來和鑄造零件相比較。如果做外觀件，其表面必須進行后處理，而如果是做內部結構件，則可以保持原樣或只進行簡單噴砂處理。MIM技術中，燒結后的零件質量通常能滿足外觀的要求。表面粗糙度以及尺寸精度的可重復性，能夠生產高精度零件，且無需機械后處理。也可以將銑削操作放置在零件未燒結情況下，這樣更容易操作，以燒結技術為基礎制造的金屬FDM和粘接噴射工藝也一樣。本次研究通過觸覺檢測，分析了燒結后表面粗糙度的數據。這些數值是通過在zx平面和xy平面內測量樣本平面得到的。兩種測試方法的平均值能夠進行技術比較。不過對于金屬FDM技術而言，表面粗糙度很大程度取決于打印的方向（如圖3）。圖3與LB-PBF和MIM相比，新興增材制造技術樣品平均表面粗糙度Ra數值（μm）經濟角度：成本和價值鏈如果使用LB-PBF技術，金屬增材制造的特點是機器成本高、生產速度慢和材料成本高。所以并非技術上可行的方案在經濟上也可行。基于燒結技術的金屬3D打印技術有望改變這種情況，大大降低金屬增材制造打印零件的成本。1.材料成本適用于LB-PBF技術的金屬粉末成本價在每公斤40到400歐元不等，具體價格取決于合金種類。不銹鋼最便宜，在每公斤40到80歐元之間。目前粘結劑噴射技術和LB-PBF技術一樣，使用球形粉末顆粒作為原料。然而，DesktopMetal等公司的新技術使用的則是傳統的MIM粉末。由于諸如17-4PH的不銹鋼MIM粉末每公斤價格僅5到10歐元，這可能能夠降低80-90%的成本，不過還需要在此基礎上算上粘結劑的價格。金屬FDM原料包括由金屬粉末和有機粘結劑化合物制成的金屬絲、顆粒或棒材。粘結劑的成本已經包括在內，是基于傳統MIM喂料（混合金屬和粘接劑）制作的，目前如Raise3D使用的BASF的316L線材每公斤則要200歐元，其他供應商類似的金屬耗材每公斤也要100歐元。而316L的MIM粒料每公斤在15到18歐元之間，未來金屬FDM技術價格會比LB-PBF技術的更低，盡管現在仍然高于PBF。2.設備采購對雙激光LB-PBF系統的設備投入一般約為50萬歐元，加上折舊和損耗，機器平均每小時費用為30到40歐元。單激光系統價格最低，而四激光系統每小時成本高達55歐元。有相似成形范圍，在300mm邊緣長度范圍內的粘結劑噴射系統投資成本差不多，只包括打印零件過程（不包括脫脂燒結流程）。此外，損耗和維護成本對這兩種技術的影響不大，所以使用粘結劑噴射成型技術的機器每小時費用差不多。未來粘結劑噴射裝備的投資成本預計會更高，約為100萬歐元（不包括脫脂燒結），不過有望能在將來提高生產率。金屬FDM系統在投資、維護和損耗方面成本低很多。僅計算打印過程，機器成本在3萬到10萬歐元之間，每小時費用為3到8歐元。3D打印技術參考提示，基于燒結的3D打印工藝所涉及的脫脂和后燒結過程，與這兩個步驟相關的設備投資也需要不小的投資，具體分析見下文。3.效益情況不同類型增材制造的批量生產成本是由各自系統的生產速度（cm3h）和機器小時率計算的（如圖4）。任何必要的機械后處理以及質量檢查工作所產生的額外費用都不包括在內。圖4新興增材制造技術與LB-PBF相比，每個樣件的平均成本生產速度很難比較，雖然LB-PBF和FDM系統可以通過打印速率（隨時間的體積變化，cm3h）來量化對比，但粘結劑噴射工藝的打印速率很大程度上取決于填充密度。相同高度的打印工作使用的打印總時長相同，與體積無關。分析表明，LB-PBF的生產速度與打印空間中同時工作的激光器數量有重要關系。根據提到的每小時費用，每立方厘米不銹鋼的成本在1到3歐元之間。層厚是金屬FDM技術打印量的關鍵。增加層厚，生產速度就提高了，但是大大降低了精度和表面質量。如上文所說，原料成本跟使用系統也有關系。將這些變量納入計算，每立方厘米不銹鋼的成本在0.5到2.5歐元之間。粘結劑噴射技術的生產速度是由總的打印時間和填充密度計算出來的。填充密度反映了所有零件體積總和，和完整成形范圍相關。大批量生產中，不同部件混合打印的填充密度通常為10%，優化后的堆疊部件填充密度達到30%。打印時間在20到24小時之間。考慮到接下來幾年該技術的發展潛力，成形范圍會不斷增大，由于有了雙向單程噴射技術，總打印時間會降到10小時。目前使用不銹鋼，每立方厘米的制造成本還在0.5到1歐元之間。4.燒結工藝粘結劑噴射和金屬FDM打印工藝后面總是跟著額外的脫脂和燒結工藝。這個環節的成本主要取決于系統供應商使用的脫脂和燒結技術類型。MIM多用催化劑脫脂和燒結，因為這樣生產率高且容易控制工藝。另一方面，催化工藝需要大量設備投資、技術支持，還要使用硝酸或者草酸等化學藥劑。為了簡化流程，一些以燒結技術為基礎的金屬增材制造技術供應商使用簡易熱脫脂和燒結方法。對壁厚3-4mm的部件，需要用到5萬立方厘米體積的熔爐，加熱約16個小時。熱脫脂和燒結熔爐每小時花費大概是13和23歐元，13是常用的脫脂工藝，23指的是常用燒結工藝。計算過程涵蓋了公用服務和消耗品的費用，比如電費、燃氣費、熔爐價格和每年6千小時運轉時間，連續五年后的折舊費用和維護費用。計算不包括勞動力、基礎設施和管理費用等。假設填充密度為10%，熱脫脂和燒結成本預計每立方厘米0.08歐元。相比之下，催化劑脫脂和燒結成本每立方厘米0.28歐元。以燒結為基礎的增材制造技術對終端用戶及供應鏈的影響1.終端用戶要為用戶選擇合適的技術時，部件制造商現在比以往擁有更多種選擇。他們的選擇也要求工程師研究掌握多種不同生產技術知識。在過去幾年里，鑄造和鍛造工程師被迫使用和學習LB-PBF技術。現在，粘結劑噴射技術和金屬FDM拓寬了領域，提供了更多選擇。掌握不同生產技術的發展潛力、局限和特點等知識對未來的工程師而言，比以往任何時候都更重要。如圖5的技術分類圖是根據制造量和零件復雜程度，將技術分類，方便選擇時借鑒。圖5根據零件數量和復雜程度的技術分類粘結劑噴射技術主要影響的是大規模生產，如汽車產業；金屬FDM技術將會被運用到機械行業，特別是小規模生產、原型制作、夾具和工具中，在這一領域DesktopMetal的Studio系統和Raise3D的Metalfuse系統都旗幟鮮明地將金屬原型、工裝夾具作為其核心市場應用；由于航空和植入物制造商對材料性能的高要求，這些產業不太可能使用以燒結為基礎的新興增材制造技術來制造高負荷的零件。2.供應鏈隨著這些新興技術的發展，增材制造市場必然會產生巨變。從原料開始，當前金屬粉末供應商面臨的是粘結劑噴射和金屬FDM技術的新市場，金屬粉末廠商要準備好新的MIM棒材或者金屬線材以面對這樣的改變。預計現有電子和激光束PBF系統制造商將著重發展要求嚴苛的高端市場，如醫療和航空業。PBF系統出色的材料性能和技術水平的高度完善，使得短期內粘結劑噴射技術不太可能受到高端市場的青睞。然而像汽車行業等大眾市場將會慢慢將重心從LB-PBF技術轉向粘結劑噴射技術上。由于價格潛力優勢，金屬原型和模具市場未來將會迅速使用金屬FDM技術，并被占領。粘結劑噴射技術的主要局限在燒結工藝支持的零件大小和復雜程度。將會有越來越多用戶對提供燒結設備和提供燒結技術的公司感興趣。此外，我們期待更多傳統MIM生產商將以燒結為基礎的增材制造技術納入他們的發展藍圖中。注：本文內容由3D打印技術參考整理編輯，轉載請依據轉載須知。歡迎轉發主編微信：2396747576;碩博千人交流Q群：867355738；網址：www.amreference.com1.2.3.4. 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