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摘要
如今,客戶的需求是動態變化的,行業正朝著定制化的終端用戶產品的制造方向發展,市場的波動非常難以預測。這要求生產行業轉向瞬時產品開發戰略,即在最短的交貨時間內交付產品,而不損害質量和準確性。直接金屬沉積就是這樣一種不斷發展的增材制造技術,它的應用范圍從快速成型到實時工業部件的生產。
此外,該工藝非常適合即時制造,即按需生產零件,同時提供降低成本、能源消耗和碳足跡的潛力。這種先進制造技術的發展大大減少了制造約束,大大提高了產品的多功能性。本文從粉末床融合和金屬直接沉積兩方面對金屬增材制造(MAM)技術的發展、現狀和挑戰進行了綜述。此外,本文還對金屬增材制造的各種變體及其工藝機理、優缺點和應用進行了探討。最后采用時間成本三角法分析了工藝的效率,并對其機械性能進行了綜合比較。該檢討將增進對MAM的基本認識,從而擴大研究和發展的范圍。
1.介紹
在20世紀80年代早期,第一種以逐層制造技術創建三維物體的形式被開發出來,這被稱為快速原型(RP)。固體、液體和粉末是主要用于快速成型的三種原材料的變體。隨著材料用途的擴大,AM工藝的多樣化應用導致了金屬零件的直接制造,同時滿足了客戶在幾何精度和物理機械性能方面的要求。高精度、高精度的復雜零件幾何形狀的加工是定制零件生產的關鍵。為了解決這一問題,一種名為金屬增材制造(MAM)的新興技術被廣泛應用,為制造領域帶來了廣泛的新可能性。此外,最近在建??茖W,制造和材料加工導致AM的重點從快速成型轉向直接生產金屬零件。
20世紀80年代初,CarlDeckard開發并申請專利的選擇性激光燒結(SLS)技術,可以打印出使用多種材料的物體,如塑料、玻璃、陶瓷,甚至金屬,被稱為直接金屬激光燒結。這使得它成為原型和最終產品生產的流行過程。在20世紀90年代后期,激光燒結技術被廣泛應用于直接制造金屬零件。首先,在1994年,光電系統公司(EOS)展示了他們的EOSINT 160機器原型,它基于直接金屬激光燒結技術(DMLS)操作。后來,EOS公司將EOSINT 250機商業化投放市場,實現了金屬零件的快速生產。根據ASTM, MAM被定義為“一種從3D CAD模型數據,通常以一層一層的方式制造組件的過程,而不是減材制造過程”。MAM工藝是一種無工具的制造方法,具有多種多樣的零件生產、最小的人機交互和減少設計周期等顯著優勢。因此,該工藝發展成為工業標準金屬組件生產的綜合研究領域。
結合金屬沉積(BMD)擠出機
BMD是一種以擠壓為基礎的金屬AM工藝,其中金屬組件是由粉末填充的熱塑性介質擠壓而成。BMD技術使用STL文件和本地CAD文件作為輸入。一旦文件被處理,該部件是用金屬粉末和粘合劑(蠟和聚合物粘合劑)制備的加熱金屬棒擠壓而成。一旦印刷,粘合劑被去除,通過粘合過程,然后燒結,導致金屬顆粒致密。該工藝使用兩種擠出機,一種擠出金屬棒作為實際部件,另一種擠出陶瓷界面介質棒,用于在構建腔內分離多個部件,構建支撐等。微波輔助燒結工藝使零件的燒結速度更快。BMD的優點是在印刷過程中不使用任何熱源,因此不會產生殘余應力。印刷之后是在熔爐中燒結,涉及緩慢均勻加熱和最小的應力產生。此外,支架結構拆卸非常容易,不需要加工。BMD是一個比BJ更快的過程。另一方面,該工藝不會產生全密度零件,需要后處理燒結來提高強度。Desktop Metal將BMD商業化(上圖)。
金屬增材制造具有制造復雜結構件的高能力,這是很難或甚至不可能通過傳統制造技術制造的。MAM的獨特之處在于,它能夠直接從3D計算機輔助設計(CAD)模型制造定制零件,而不需要昂貴的模具系統。此外,MAM可以根據需求生產零件,同時減少備件的庫存。除此之外,關鍵的或過時的組件的交貨時間也大大減少使用MAM。
值得注意的是,MAM的顯著亮點是單位零件成本,與傳統制造技術相比,它幾乎是恒定的。幾乎每一種傳統的制造方法,如鑄造、成形等,在單位零件分析成本上變得更便宜。但是,對于小批量生產來說,它們執行起來非常昂貴。這主要是由于制造一個單位零件所需的管理費用和成本之間的差異。在MAM過程中,幾乎沒有間接成本,因為它優化了高度先進的自動化技術。MAM是一種成本效益高的技術,它更適合制造低、中批量生產的零件?;谶@些原因,MAM被廣泛接受,并被公認為航空航天、汽車、醫療和能源領域高性能部件設計和制造的新范例。
這篇綜述文章的主要目的有兩個方面。第一個是提供MAM技術的發展,特別是在固體、液體、線材和粉末技術的原理和功能方面。此外,還討論了各工藝的機械性能、工藝潛力和質量方面的問題。第二步是根據時間-成本-質量三角形來比較各種工藝參數。
2.MAM的歷史與演變
AM工藝在快速零件生產中提供了顯著的優勢,也提供了無與倫比的設計自由度,可以用多種可用材料制造單個組件或多個組件。Terry Wohlers和Tim Gornet簡要介紹了MAM工藝的發展,其中立體光刻(SL)商業化用于生產工業部件,其中該技術使用激光源有效地固化UV光敏液體聚合物薄層,主要用于原型制造。SLA-1是世界上第一個由3D系統在1987年年開發和商業化的立體光刻系統。后來,許多組織發展了他們的立體光刻系統,并將其引入商業市場。EOS和3D系統在其他組織的立體光刻系統的發展中發揮了主導作用。STEREOS 400是在20世紀90年代由EOS[5]開發和銷售的。Quadrax在此期間還推出了Mark 1000 SL系統,該系統使用可見光樹脂聚合物材料來制造原型部件。
金屬沉積工藝制備的不同厚度泡沫鎳樣品的SEM圖像:(a)鎳層較薄;(b)較厚的鎳層
金屬沉積型多孔金屬是通過在開孔聚合物泡沫上沉積原子金屬,然后消除聚合物和燒結來創建的。這些金屬的主要特征包括連接孔、高孔隙率和三維網狀結構。多孔材料是一類非常重要的多孔金屬材料,是一種性能優良的新型功能結構一體化材料。在一定條件下使用,其優點是密度低、孔隙率高、比表面積大、孔隙連通性好、結構均勻,這是其他類型的多孔金屬難以達到的。但這一特性也對金屬沉積型多孔金屬的強度產生了一定的限制。這些材料首先在20世紀70年代被制造和利用,然后,在80年代,它們被迅速開發用于各種各樣的應用和需求。目前,許多國家都在大規模生產這些多孔材料,鎳和銅泡沫產品通常是通過電沉積工藝生產的。這種金屬泡沫如上圖所示。
金屬零件的調質技術是在20世紀90年代初發展起來的。第一步是EOS組織與Electrolux研發公司達成合作協議,共同開發DMLS技術。這次合作在EOSINT m160的商業化中達到了頂峰,這是第一個直接用于金屬組件的增材制造。后來,三種新的AM技術,包括Stratasys的熔融沉積建模(FDM)、Cubital的固體地面固化(SGC)和Helisys的層壓物體制造(LOM),在1991年被商業化。FDM工藝以長絲的形式擠出熱塑性材料,從而以一層一層的方式生產零件。SGC是一種使用液體光致聚合物構建3D結構的過程,這與立體光刻技術相似,通常被稱為“士兵”。LOM技術通過使用數字引導激光源將薄板材料或金屬箔層綁定在一起,以制造三維金屬零件。
DTM現在是3D系統的一部分,Solidform系統在1992年引入了SLS。該技術利用激光束作為熱源,將粉末材料熔化。1993年,麻省理工學院開發了直接鑄殼(DSPC)技術并獲得專利,該技術也被Soligen technologies商業化。此外,在這個時期,Denken的SL推出了固態激光系統。EOS于1994年展示了其原型機EOSINT M160,其功能基于DLMS技術。后來,EOS組織在1995年推出了EOSINT M25O系統,該系統具有制造金屬部件的能力。Startasys和IBM Watson研究中心在1996年開發了這臺生成機,它利用材料擠壓過程的原理來制造定制的部件。此外,在此期間,Z-Corp推出了Z402 3D打印機,該打印機使用淀粉和石膏基粉末材料和水基液體粘合劑制作3D模型。一個名為“AeroMet”的組織成立于1997年,開發了一種激光增材制造系統,通過使用高功率激光源來加工各種粉末材料(特別是粉末鈦合金)。1998年,美國桑迪亞國家實驗室開發了一種基于金屬粉末的技術,稱為激光工程凈整形(LENS),該技術后來被“Optomec”商業化。Optomec公司于1998年推出了基于粉末-激光相互作用的AM系統,該系統采用粉末注入激光能量沉積技術。后來,像Trumpf和DMG這樣的商業制造商在接下來的20年里在DED技術的開發中發揮了主導作用。
后來,1999年,總部位于德國的Roders公司推出了可控金屬堆焊(CMB)機器,這是由德國Fraunhofer研究所開發的。此外,在此期間,Extrude Hone組織(現在的Ex One)開發并商業化了Pro-metal快速模具系統RTS-300,該系統主要用于制造金屬部件和昂貴的工具。2001年,Fockele 和Schwarze一家德國公司在Fraunhofer研究所開發了以鋼粉為基礎的選擇性激光熔化系統。此外,CONCEPT LASER公司開發了激光固化技術,以最小的材料浪費制造3D組件。此外,瑞典的ARCAM公司開發并商業化了電子束粉末床融合技術,該技術使用高功率電子束源來制造定制的金屬部件。2003年,通快將粉末床熔合(PBF)技術商業化,利用激光能量直接熔合金屬合金。在同一時期,索尼精密技術,一家美國公司,引進立體光刻技術在快速零件生產。后來,Solidscape引入了T612系統,該系統主要用于熔模鑄造工藝中制造蠟模。
EOS在2006年推出了EOSINTM270機器,有能力制造鈷鉻粉末材料為基礎的部件。在那之后,一個名為Norsk Titanium的組織在2007年開發了一種快速等離子體沉積技術(RPD),這是一種從傳統等離子弧焊演變而來的AM技術的改進形式。這種RPD技術主要應用于飛機和航天工業。在此期間,ARCAM和EOS分別向美國市場推出了A2電子束熔煉(EBM)機和Formiga P100激光燒結系統。后來,“OBJET GEOMETRIES”在2008年推出了基于多噴射矩陣技術的多材料Connex500 3D打印機。此外,在同一時期,MTT在英國2008年的一次活動中商業化了選擇性激光熔化機(SLM), SLM 250-300。后來,EOS和Cookson貴金屬公司開發了EOS- m2012年推出系列機器,采用貴金屬合金制作首飾。此后,在2015年初,許多上市AM公司的市值明顯下降。盡管如此,以金屬為基礎的PBF系統在航空、能源、天然氣和石油行業仍然表現強勁。
Desktop Metal和惠普于2016年進入商業市場,并將金屬粘結劑噴射技術(BJT)商業化。金屬BJT系統于2019年安裝在測試客戶階段。同時,在這段時間內,ge航空意識到了PBF-EB的潛在潛力,并投資了更多的系統來制造定制的飛機部件。在2020年,珠寶和裝飾領域已經結合了AM技術,PBF-LB,以經濟的角度制造定制珠寶設計。此外,奧地利的TU GRAZ公司引入了一種新的MAM技術,稱為基于led的金屬增材制造,幫助解決了兩個主要的問題,即大批量金屬組件生產的時間消耗和組件的手動返工。這些問題通過采用LED光源的金屬粉末靶熔化技術得到解決。圖1清楚地說明了上述MAM過程的歷史和演變。
圖1 MAM過程的歷史與發展
3.MAM技術綜述
如前所述,客戶對產品的需求在產品質量、產品尺寸、產品形狀、產品制造交貨期等方面都有所增加??蛻舻年P鍵要求是在最短的制造時間內提供高質量的定制產品。這導致了AM的快速發展這項技術后來演變成了MAM。根據原料的不同,MAM分為液態AM、固態AM、線狀AM和粉狀AM四種,如圖2所示。表1比較了MAM過程的性質、優勢、機制和獨特特征。
圖2 基于原料的MAM工藝分類
表1 MAM過程的過程性質比較
4.工藝參數及機械性能比較
如前所述,要生產的產品需要考慮許多關鍵參數。它包括產品尺寸、產品形狀、產品幾何形狀和產品材質。在所有的制造行業中,在產品制造開始之前,過程的潛力或能力都被清楚地詳細地研究過。這些制造過程本質上是動態的,因此有必要根據產品特性進行優化。同樣,它也在MAM工業中進行。所有的MAM過程都有其自身隱藏的潛能或能力,因此有必要了解每個過程的潛能。
4.1 Time-Cost-Quality三角形
為了清楚地了解每個金屬添加劑工藝的潛在潛力,首選時間-成本-質量三角,即項目管理三角,來分析和比較每個工藝的能力,如圖3所示。根據每種工藝的質量特征、零件成型率和微觀結構特征對其進行比較是非常必要的。此外,很難在單個圖表中比較所有特征,必須在這些特征之間進行劃分。表2比較了商用AM系統的構建特征,而表3比較了使用AM技術制造的材料的物理機械性能。
圖3 時間成本質量三角
表2 MAM過程構建特性的比較
表3 比較了使用AM技術制備的材料的物理機械性能。
4.1.1 質量
每個制造行業的主要目標是通過降低生產成本來制造出高質量的產品。質量的定義有很多種,但簡單地說,它就是顧客的滿意或需求。詳細的產品或零件規格數據,包括尺寸精度,表面質量,材料和機械特性是客戶獲得的主要關鍵因素。
4.1.1.1 表面質量
通常,采用MAM技術制造的產品或零件具有顆粒狀方面結構,這是由于零件外表面存在未結合的熔融顆粒。大多數情況下,粉末床基工藝的平均表面粗糙度在15毫米以下。與未進行后處理的SLS和DMLS相比,采用SLS和DMLS進行后處理的零件具有更好的表面光潔度。因為,EBM工藝算法粗糙度范圍在25和35 mm之間,而DED技術產生一個更光滑的表面,Ra值在10和25 mm之間。
4.1.1.2 尺寸精度
使用SLA技術加工的零件尺寸精度為±0.15%,下限值為±0.01 mm。SLS是一種精密加工工藝,常用于制造尺寸精度為±0.3%、下限為0.3 mm的復雜幾何零件。此外,SLS、DMLS和SLM技術制造長度為100 mm的最小尺寸誤差小于0.1 mm的零件。SLA制造精度小于1000cm的零件3 而SLS生產的零件精度高,>1000厘米3 建立體積。
材料噴射是最精確的3D打印工藝,尺寸公差為±0.1%。此外,對于高溫應用材料,特別是鈦合金,EBM的尺寸精度是粉末基工藝的一半。但是,在高溫應用材料上,激光成形工藝的尺寸精度較差。
4.1.2 時間
它僅僅意味著每道工序的生產速度或MAM技術的建立速度。這種生產速度因物理材料特性、機器制造速度、能力和其他雜項因素而有很大差異。此外,這些都是影響交貨時間的主要關鍵因素。
基于粉末的MAM技術,如SLS(120-125cm3/hr)和DMLS(100-120 cm3/hr)的累積速率較SLM(達113 cm) cm3/hr)。與SLM過程相似,DMD(50-110 cm3/hr)及LAM(16-250 cm3/hr),具有較高的施工速度,可制作無孔件。DMLS和SLS工藝具有相似的構建率,需要后處理處理來實現幾乎完全致密的部件。EBM和DED技術是一種不需要特殊精加工就能快速制造零件的技術。
4.1.3 成本
制造產品的成本取決于機器運行成本、機器小時率、原材料成本和其他消耗品成本。制造時間也會影響產品成本,它根據工藝和機器能力的性質而有很大的不同。一般來說,該產品是用中等體積的建筑腔體制造的,粉基是最便宜的,而EBM和DED是最昂貴的。
5.總結
主要觀察結果總結如下:
多年來,該工藝擴展到各種材料,包括金屬、合金、陶瓷和聚合物。增材制造被商業化為流行的技術,如選擇性激光熔化、熔融沉積建模和電子束熔化,這些技術在汽車、航空航天、生物醫學和建筑等各個行業都得到了應用。包括EOS、POM組織、Stratasys、IBM、HP、Aeromet、Hellisys和Fraunhofer在內的先鋒公司進一步開發和商業化了AM流程。
金屬增材制造的廣泛應用為制造領域帶來了廣泛的新可能性。此外,最近在建??茖W、制造和材料加工方面的進步導致了AM的重點從快速原型到直接生產金屬部件的轉變。MAM根據原材料分為四大類,即液態基、固態基、線狀基和固態基。MAM工藝的幾個商業變種被開發出來,發現了新的應用,如修理和重做關鍵和昂貴的零件。此外,MAM工藝生產的部件具有相對類似于鍛造和鑄造的物理機械。
結果表明,工藝參數和MAM工藝類型對沉積材料的機械性能有顯著影響。與SLS、EBM和DMLS相比,DED生成的表面具有更好的算法粗糙度。另一方面,SLS和DMLS比SLM、LAM和DED的構建速度更快。此外,在采用PBF工藝的情況下,產品的制造成本也較低。然而,據觀察,EBM和DED技術制造的產品具有較高的產品開發成本。
6.結論
本文對金屬增材制造的主要工藝進行了詳細的描述,并對金屬增材制造工藝的發展進行了圖解和詳細的說明,如線材增材制造工藝、粘結劑噴射工藝、粉末床熔接法和粉末直接能量沉積法。此外,這些技術根據所使用的原料分類,它們是液體基AM,固體基AM,線基AM,粉末基AM和直接能量沉積基AM。對于每一種AM技術,不同的工藝參數被比較在不同的材料應用。此外,本文還簡要介紹了各種AM技術在不同材料上的應用和機械性能。在回顧各種MAM過程時,可以得出以下結論:
?與液態金屬3D打印工藝相比,固態成形工藝可以生產復雜的幾何零件。
?基于固體的MAM工藝,如LOM和UAM,具有生產表面粗糙度為14μm的穩健設計的能力。
?線材激光增材制造與其他線材AM工藝相比具有更高的延伸率。
?基于粉末的MAM工藝能夠以更快的構建速度和更低的產品成本生產組件。這使得基于粉末的工藝廣泛地用于制造和重做關鍵的和昂貴的部件。
來源:Review on the evolution and technology of State-of-the-Art metaladditive manufacturing processes,materialstoday, doi.org/10.1016/j.matpr.2021.02.567
參考文獻:C. Deckard, “Method and apparatus for producing parts by selectivesintering,” in, U.S. Patent (Oct. 1986).,“Background toAdditive Manufacturing.”https://www.metal-am.com/introduction-to-metal-additive-manufacturing-and-3d-printing/background-to-additive-manufacturing/(accessed Dec. 10, 2020).