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

導讀：2022年12月20日開展的“增材制造Binder Jetting粘結劑噴射成形技術論壇”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粘結劑噴射成形技術論壇上，國內(nèi)外知名的幾個相關廠商做了非常有深度的分享交流。來自DigitalMetal-赫格納斯 (中國)有限公司的業(yè)務發(fā)展經(jīng)理趙小根以”面向批量化生產(chǎn)的增材制造技術-粘接噴射金屬打印“為題展開了分享。粘接噴射金屬打印的批量化生產(chǎn)需要考慮什么問題？赫格納斯都有哪些技術方案？讓我們聽一聽趙小根是如何做出解答的。



在此次分享交流會上，趙小根主要圍繞四點進行分享，包括赫格納斯(Hoganas)的介紹、粘接噴射打印技術介紹、關于實現(xiàn)批量化生產(chǎn)的幾點思考，以及赫格納斯的解決方案。

一、赫格納斯的介紹

赫格納斯是一家專門做金屬粉末的公司，是冶金行業(yè)的領導者，總部在瑞典南部的一個小鎮(zhèn)中，在全球十一個國家擁有18個生產(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)務板塊，分別為，粉末冶金及磁性材料技術、表面及連接技術和定制技術。其中，定制技術業(yè)務又分為兩個板塊，Digital metal設備和打印服務板塊，和粉末板塊。

二、粘接噴射打印技術



技術分類
目前3D打印的技術多種多樣，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粘接劑層層粘接粉末，與SLM相比，相當于將激光改為粘接劑從而構建三維模型。
BJ工藝過程



整個工藝過程可以分為五步，首先利用建模三維模型生成STL格式文件，打印機接收到文件信息，進行打印，打印后進行固化清理個粉末的回收利用，然后進入燒結階段，最終產(chǎn)品完成。整體而言，粘接噴射技術是一種高精度，零浪費且非常高效的3D打印技術，適合小零件大批量生產(chǎn)。
技術特點
●打印過程是沒有支撐的，節(jié)省材料的同時不需要去除支撐，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打印機和DMP Pro打印機，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，也具有自身的優(yōu)勢：
AM的優(yōu)點：
●短時驗證新幾何結構
●可以生產(chǎn)傳統(tǒng)加工中難以制造的復雜結構
●可多次迭代打印，同時節(jié)省時間
●可定制化單一零件，無額外成本
●制造周期短，交期短

使用Digital Metal技術的優(yōu)勢：
●更高的分辨率和粗糙度
●尺寸精度更高
●可以重復高效生產(chǎn)
●無支撐、縮短后處理過程，無廢料
●室溫打印，不要保護氣體
●打印材料可以重復利用

三、關于實現(xiàn)批量化生產(chǎn)的幾點思考



趙小根表示目前粘接劑3D打印還在產(chǎn)業(yè)化的前期，主要難點主要集中在幾個方面：
●粘接強度
●燒結工藝
●收縮率與尺寸精度
●性能穩(wěn)定性
●生產(chǎn)效率
●目標市場與目標零件

什么樣的粘接劑比較適合？



在進行粘結劑打印前需要著重思考幾個問題，比如粘結劑是水性的還是油性的？是否需要環(huán)保性？干燥性能如何？流動性是否足夠？揮發(fā)性、潤濕性、化學性能、價格如何？

什么樣的燒結工藝比較適合？



燒結工藝十分關鍵，直接關系到零件的最終性能，研發(fā)人員需要考慮以下幾個方面;
●燒結溫度和速度的設定
●脫脂和燒結是否在同一塊進行
●保護氣氛使用哪種，保護氣氛對材料是否有額外的影響

收縮率怎么控制？



多數(shù)情況下是軟件補償，反向設計，達到想要的零件尺寸。軟件補償需要龐大的數(shù)據(jù)積累，結構不同、材料不同、燒結不同，零件的收縮率都是不同的。研究人員需要建立相關的數(shù)據(jù)庫，擁有大量的經(jīng)驗積累。

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準誤差可以小于0.2%，不同批次間的標準誤差為0.4~0.5%。

目標市場在哪里？



赫格納斯在多年間一直試圖去找適合粘接劑噴射技術的一個合適的市場，找到合適的案例帶動粘接劑噴射工藝。另外一個方面，工程師也在進行工藝可行性的分析，但不管怎么樣，都需要找到技術源頭，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。

如何實現(xiàn)批量化生產(chǎn)？



想要實現(xiàn)批量化，就必須實現(xiàn)自動化，機器人全程操作。赫格納斯更傾向于使用高度自動化，趙小根表示一定的高度自動化，是可以提高各個打印步驟間的準確度，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發(fā)和粉末生產(chǎn)與檢測控制。3D打印本身還有很多需要攻克的難點，比如高質(zhì)量的粉末制造，成型精度的控制，CAD系統(tǒng)，后處理過程，粉末處理過程，打印參數(shù)的設定等。赫格納斯站在粉末使用角度，從十二個方面為用戶提供解決方案，努力給客戶傳遞價值：



●對用戶應用需求的了解
●根據(jù)需求，選擇合適的工藝進行生產(chǎn)
●調(diào)整粉末的性能
●結合公司內(nèi)部的質(zhì)量管控
●給顧客提供適合的高性能的粉末
●進行全球化的供應
●和客戶共同開發(fā)應用
●多年數(shù)據(jù)積累，比如燒結數(shù)據(jù)、收縮數(shù)據(jù)
●打印實驗
●粉末運輸和儲存方案
●零件后處理探索
●粉末回收有助于綠色新能源

由于時間原因，趙小根重點介紹了其中的幾個方面：
材料開發(fā)



不同的工藝對于材料的需求是不同的，所以赫格納斯會先了解客戶的需要在此基礎上，研發(fā)專用的材料。會在實驗室進行一些仿真計算，合金測算等，然后確定一定的方案，進行進一步的優(yōu)化，包括合金優(yōu)化、粉末性能優(yōu)化。然后進行物理性能檢測，比如相變和熔點的檢測，最后進入打印機進行過打印機參數(shù)優(yōu)化，測試機械性能。這其實是一個不斷循環(huán)，螺旋上升的過程。

Fin Powder Atomization(FPA)生產(chǎn)線



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，專門為BJ工藝提供性能優(yōu)異的粉末方案。具有穩(wěn)定性好、性價比高的優(yōu)勢。

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。赫格納斯在上海設有燒結實驗室，可以為用戶提供支持，實現(xiàn)更好的性能和產(chǎn)能。

燒結實驗室



趙小根呼吁大家不僅需要關注打印機的制造，材料性能的選擇，也要關注燒結部分。零件結構的性能能否滿足要求與燒結過程有直接影響，但目前的研究還較少。

粉末運輸和儲存方案



批量生產(chǎn)對粉末的要求是很高的，赫格納斯針對粉末市場設計粉末運輸和儲存方案，配合GPS、VMI系統(tǒng)等系統(tǒng)進行使用，用戶可以輕松了解粉末的生產(chǎn)情況，實施監(jiān)控等。赫格納斯可以為用戶提供高品質(zhì)粉末服務。

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