GKN Additive生產(chǎn)車(chē)間的惠普粘結(jié)劑噴射金屬3D打印設(shè)備單元

截至到當(dāng)前，GKN Additive已經(jīng)認(rèn)定粘結(jié)劑噴射金屬3D打印在工業(yè)應(yīng)用中具有巨大潛力，包括在批量生產(chǎn)中具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)、快速上市、添加創(chuàng)新產(chǎn)品功能，以及根據(jù)客戶的具體要求靈活調(diào)整產(chǎn)品和組件的能力。作為一項(xiàng)似乎還未發(fā)展成熟的工藝類(lèi)型，GKN Additive卻已經(jīng)嘗到了甜頭。

采用BJ技術(shù)的關(guān)鍵成功因素

就如3D打印技術(shù)參考一直以來(lái)所強(qiáng)調(diào)的，BJ技術(shù)最為關(guān)鍵的是后燒結(jié)階段的變形控制。GKN Additive當(dāng)前已經(jīng)通過(guò)為施耐德電氣開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的過(guò)濾器證明了對(duì)于其成功至關(guān)重要的因素便是其數(shù)十年來(lái)通過(guò)金屬注射成型（MIM）和粉末冶金為汽車(chē)行業(yè)生產(chǎn)高性能結(jié)構(gòu)部件的經(jīng)驗(yàn)。

需要尤其指出的是，GKN Additive燒結(jié)BJ技術(shù)打印的零件使用的是連續(xù)爐而非增材行業(yè)常用的間歇爐。3D打印技術(shù)參考查詢到，間歇式窯爐體積普遍要比連續(xù)式窯爐小，該窯爐每燒制一次產(chǎn)品必須等待降溫后才能取出，而再燒制的時(shí)候又需要升溫，所以單位能耗比連續(xù)式窯爐要高。連續(xù)式窯爐的特點(diǎn)是能連續(xù)生產(chǎn)，能耗要比間歇式窯爐小，能大量生產(chǎn)同類(lèi)型的小型產(chǎn)品。這有助于以比分批燒結(jié)更有效的方式生產(chǎn)更大量和更大體積的部件，克服了金屬BJ技術(shù)大批量生產(chǎn)路線上的障礙。當(dāng)然，應(yīng)該注意的是，分批爐與連續(xù)爐的使用取決于合金，一種爐型相對(duì)于另一種的優(yōu)勢(shì)受到諸如生產(chǎn)量、部件尺寸和具體應(yīng)用要求等因素的影響。

深入探索BJ技術(shù)為制造帶來(lái)的革新

施耐德電氣是能源管理和自動(dòng)化數(shù)字化轉(zhuǎn)型的全球領(lǐng)導(dǎo)者，為其ComPacT®斷路器開(kāi)發(fā)了基于金屬BJ技術(shù)的過(guò)濾器解決方案，用于大型工業(yè)工廠和船舶應(yīng)用。在短路的情況下，這些過(guò)濾器捕獲電離粒子，降低電弧引起的氣體排氣壓力和溫度，使開(kāi)關(guān)設(shè)備占地面積更小，并為其全球客戶提供具有成本效益的解決方案。過(guò)濾器必須能夠承受等離子體產(chǎn)生的極端溫度和高壓。最初的過(guò)濾器采用金屬板組件制造，因此存在性能限制。在開(kāi)發(fā)新的解決方案時(shí)，施耐德電氣測(cè)試了各種制造工藝，但沒(méi)有一種達(dá)到要求的性能。使用3D打印，濾網(wǎng)、柵格和框架可以作為一個(gè)整體制造，即一體制造。激光粉末床熔融(LPBF)取得了成功的結(jié)果，但由于過(guò)濾器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，批量生產(chǎn)成本過(guò)高。粘結(jié)劑噴射工藝被證明是有吸引力的，但由于過(guò)濾器本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，清粉是最初面臨的重要挑戰(zhàn)。

施耐德電氣極復(fù)雜結(jié)構(gòu)過(guò)濾器

為了推進(jìn)該項(xiàng)目，GKN Additive與惠普展開(kāi)了合作，它也是惠普金屬噴射技術(shù)商業(yè)開(kāi)發(fā)的早期合作伙伴，后者受益于GKN粉末冶金的廣泛專(zhuān)業(yè)知識(shí)（世界上最大的燒結(jié)產(chǎn)品生產(chǎn)商和第二大金屬粉末制造商）。雙方的合作，使GKN Additive能夠?yàn)槠淇蛻籼峁┚哂谐杀拘б娴墓�業(yè)規(guī)模生產(chǎn)，同時(shí)利用3D打印提供重大創(chuàng)新潛力。GKN PM全球產(chǎn)品中心增材制造經(jīng)理Stefan Hundrieser表示，“作為顧問(wèn)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員，我們非常仔細(xì)的研究產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，并盡可能根據(jù)客戶的要求和生產(chǎn)過(guò)程對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。我們將這種方法稱(chēng)為‘燒結(jié)增材制造設(shè)計(jì)’。僅八周，GKN Additive就能提供用于驗(yàn)證測(cè)試的功能樣品。”

安裝在ComPacT®斷路器中的金屬BJ過(guò)濾器

使用金屬粘結(jié)劑噴射，樣品零件的生產(chǎn)過(guò)程與批量生產(chǎn)相同。當(dāng)涉及到樣品生產(chǎn)時(shí)，這是其他制造技術(shù)的決定性優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)上，樣品部件使用不同的工藝制造，后續(xù)系列部件的制造始終存在不確定性。相比之下，金屬粘結(jié)劑噴射并不局限于原型或小批量生產(chǎn)。即使樣品部件也幾乎與成品系列部件具有完全相同的規(guī)格。因此，該工藝可以實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展和可復(fù)制的金屬增材制造，在工業(yè)規(guī)模上以可確定的時(shí)間和預(yù)算精確的復(fù)制最復(fù)雜的形狀。

基于“燒結(jié)的增材設(shè)計(jì)”

該項(xiàng)目的挑戰(zhàn)是在短時(shí)間內(nèi)建立穩(wěn)健的生產(chǎn)解決方案并實(shí)現(xiàn)盈利。為了做到這一點(diǎn)，必須對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行協(xié)調(diào)和優(yōu)化。

“在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)之初，我們有能力決定性的、積極的影響設(shè)計(jì)，以提高功能和可制造性。這也會(huì)影響成本，如零件尺寸（熔爐空間）、重量（粉末成本）和粉末清理（勞動(dòng)力成本）等成本驅(qū)動(dòng)因素。此外，在這個(gè)階段，我們可以為客戶的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供重要的動(dòng)力。這是我們咨詢和輔導(dǎo)服務(wù)的基本組成部分，也是我們‘基于燒結(jié)的增材設(shè)計(jì)’的獨(dú)特之處。”

裝載金屬過(guò)濾器的燒結(jié)托盤(pán)通過(guò)連續(xù)燒結(jié)爐系統(tǒng) (來(lái)自GKN PM)

對(duì)于施耐德這個(gè)案例，這包括推動(dòng)在設(shè)計(jì)空間中實(shí)現(xiàn)最大的“零件密度”——?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)盡可能緊湊的組件，以便能夠經(jīng)濟(jì)高效的生產(chǎn)。產(chǎn)品越緊湊，打印機(jī)和燒結(jié)爐所需的空間就越小。其他關(guān)鍵因素包括在燒結(jié)過(guò)程中管理收縮和變形。如果不深入了解燒結(jié)過(guò)程，最終零件的尺寸精度就有可能較差，從而產(chǎn)生大量廢料。設(shè)計(jì)一種可以在沒(méi)有昂貴燒結(jié)支架或固定器的情況下燒結(jié)的部件，或者消除后處理的需要，可以節(jié)省大量的工藝成本。粉末開(kāi)發(fā)也要求極高，與構(gòu)建和燒結(jié)工藝的精確匹配需要廣泛的冶金專(zhuān)業(yè)知識(shí)。

快速滿足大批量生產(chǎn)

GKN PM全球產(chǎn)品中心增材制造經(jīng)理Stefan Hundrieser表示，“我們?cè)诜勰┮苯鸱矫鎿碛胸S富的經(jīng)驗(yàn)，并在金屬粘結(jié)劑噴射和大批量燒結(jié)方面也積累了高水平專(zhuān)業(yè)知識(shí)。我們能夠以最佳方式協(xié)調(diào)所有組件和參數(shù)，同時(shí)觀察客戶的需求和規(guī)格。我們熟悉管理復(fù)雜的項(xiàng)目，就像我們熟悉保持最高的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)一樣，例如在汽車(chē)行業(yè)中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)的那些標(biāo)準(zhǔn)。”

在與施耐德電氣初步接觸僅9個(gè)月后，GKN Additive已經(jīng)能夠開(kāi)始批量生產(chǎn)過(guò)濾器。為此，粘結(jié)劑噴射工藝連接到其工廠的所有系統(tǒng)(物流、生產(chǎn)計(jì)劃、質(zhì)量保證等)，該工廠通常為汽車(chē)和其他行業(yè)生產(chǎn)零件，從而為高效的工藝開(kāi)發(fā)創(chuàng)造了條件。“我們使用粘結(jié)劑噴射的工廠將汽車(chē)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)與增材制造系列生產(chǎn)相結(jié)合。這使我們能夠滿足最復(fù)雜的工業(yè)要求——遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了增材制造行業(yè)的要求”。

生產(chǎn)采用三班制，有三臺(tái)粘結(jié)劑噴射打印機(jī)(如果需要，可擴(kuò)展到12臺(tái)機(jī)器)，三個(gè)固化站和一個(gè)為粘結(jié)劑噴射工藝改進(jìn)的燒結(jié)爐，可處理多達(dá)六臺(tái)機(jī)器生產(chǎn)的零件。通過(guò)這種方法，每月可以在短時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)多達(dá)1300個(gè)零件，并且隨著規(guī)模的擴(kuò)大，這個(gè)數(shù)字可能會(huì)增加幾倍（實(shí)驗(yàn)系列已經(jīng)交付了5000多個(gè)零件）。

施耐德電氣工業(yè)化負(fù)責(zé)人Thomas Rivoire證實(shí)：“GKN Additive和惠普的聯(lián)合項(xiàng)目使我們完全相信了粘結(jié)劑噴射工藝。得益于此，使產(chǎn)品在批量生產(chǎn)中具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)。”施耐德電氣的增材制造專(zhuān)家Guillaume Fribourg博士補(bǔ)充道：“重新設(shè)計(jì)的過(guò)濾器具有顯著的改進(jìn)，其增加了剛度，提高了效率，而且更容易集成。然而，對(duì)我們的客戶來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵的好處是將機(jī)柜的尺寸減少了20-30%，從而減少了全球電氣開(kāi)關(guān)設(shè)備的占地面積，并因此減少了包括銅母線在內(nèi)的相關(guān)材料消耗。”

GKN Additive掌握從粉末生產(chǎn)到設(shè)計(jì)、零件制造、燒結(jié)和后處理的整個(gè)過(guò)程。該企業(yè)在增材制造領(lǐng)域擁有全球業(yè)務(wù)，深知陷阱和影響，知道應(yīng)該如何調(diào)整戰(zhàn)略并為客戶提供價(jià)值。Binder Jetting使金屬增材制造擴(kuò)展到工業(yè)大批量生產(chǎn)，并為許多組件提供了巨大的優(yōu)化潛力。

END

所有行業(yè)的工業(yè)公司都可以從這些優(yōu)勢(shì)中受益，特別是如果他們面臨創(chuàng)新的壓力，并且在傳統(tǒng)技術(shù)(如金屬注射成型)方面已經(jīng)達(dá)到了極限，增材制造將為產(chǎn)品帶來(lái)新的創(chuàng)新維度并為其增加新的價(jià)值。粘結(jié)劑噴射比傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)制造技術(shù)更昂貴，但比其他增材制造工藝便宜得多。然而需要指出的是，從技術(shù)上講，許多產(chǎn)品可以由BJ技術(shù)生產(chǎn)，但并非所有產(chǎn)品都具有商業(yè)價(jià)值——其他工藝可能更適合。