吉凯恩与惠普针对零件量产的需求，优化金属3D打印完整价值链
2019年，大众汽车宣布将与吉凯恩（GKN）和惠普（HP）一起在HP Metal Jet系统上生产10,000个金属零件，从而重申了对汽车金属3D打印的承诺。
HP Metal Jet 系统是一种基于粘结剂喷射工艺的间接金属3D打印设备。根据3D科学谷的市场观察，吉凯恩正在与惠普合作，对Metal Jet系统和粘结剂喷射3D打印工艺进行优化，优化工作着眼于该技术的整个价值链，包括：优化粘结剂喷射金属粉末材料、面向该工艺的增材制造设计、打印工艺、粉末清除工艺，以及打印完成后的烧结工艺，并将完善基于该工艺的数字工作流程，为实现质量可重复的零件生产提供支持。
由此，这种基于粘结剂喷射的间接金属3D打印技术，正在向批量生产和工业化应用过渡。
▲ 粘结剂喷射金属3D打印技术完整价值链
来源：GKN Powder Metallurgy
优化间接金属3D打印
的每一个环节
I 为增加零件密度而进行的粉末改性
如今，有两种主要的生产增材制造用粉末的技术：
一种使用气体雾化（ gas atomization）技术来产生具有良好铺展性的高度球形粉末。这些粉末制造昂贵并且在可扩展性方面受到限制。另一种是使用水雾化（water atomization）技术生产粉末材料，这是一种经济高效且可扩展的过程，可产生更不规则的粉末颗粒。
▲ 来源：GKN Powder Metallurgy
吉凯恩与惠普合作，提出粉末混合物法和双峰粉末分布法，来弥合气体雾化粉末和水雾化粉末之间的差距。
粉末混合物法是将气体和水雾化的粉末混合，从而增加粉末的流动性和生产率，同时降低成本；双峰粉末分布法，是指将两种尺寸的粉末结合在一起，由于较小的颗粒填充了较大颗粒之间的间隙，因此产生较高的堆积密度。
使用双峰方法可以提高粘结剂喷射3D打印零件的生坯密度，从而能够产生更高的烧结密度。如果粉末材料可以通过稳定的工艺进行均匀铺粉，则零件的密度将始终保持较高。
除此之外，在材料方面需要进行优化的工作还包括丰富粘结剂喷射3D打印的金属粉末，例如开发用于制造结构零部件的材料。
I 优化设计
每种制造工艺都有其特殊的零件设计约束和设计准则，粘结剂喷射3D打印技术也不例外。吉凯恩正在积累面向这一3D打印技术的设计专业知识。当面对工业用户时，重要的是让他们意识到粘结剂喷射3D打印技术能够为零件设计优化所带来的价值。
▲ 来源：GKN Powder Metallurgy
GKN 使用的HP Metal Jet设备能够实现的零件壁厚在1.3-30毫米之间（上限是由于需要烧掉粘结剂）。由于使用了细致的粉末，该技术可实现的零件表面质量达Rz（轮廓最大高度）45微米。该技术的公差等级为IT12-14，随着技术的发展，这一数值将会降低。通过该技术制造的零件具有符合MPIF 35标准的机械性能。
I 3D打印生产率高达50倍
价值链的第三部分是打印过程本身。HP Metal Jet 3D打印技术是一种粘结剂工艺，在打印时，设备将一层金属粉末铺到打印床上，然后沉积粘合剂以形成零件的第一层，然后重复此过程，直到创建完整的零件。
▲ 来源：GKN Powder Metallurgy
根据吉凯恩，Metal Jet工艺将产生高达50倍的生产率，适合进行的批量生产数量达50,000个。
I 自动化的粉末清除流程
价值链的下一步是清除打印粉末。迄今为止，大部分去除3D打印粉末的工作是手动的，但如果将粘结剂喷射3D打印技术投入到汽车零部件生产等领域中，用于生产成千上万的零件，那么手动去除粉末就不是一种可持续的解决方案。
▲ 来源：GKN Powder Metallurgy
在这个环节中，吉凯恩认为可改善的空间是，实现自动化的粉末和零件处理。吉凯恩将与HP 合作开展这项优化工作。
I 在烧结过程中进行全尺寸控制
吉凯恩是粉末冶金领域的制造商，烧结技术是其业务中的一部分。目前，吉凯恩有两种烧结炉：间歇式炉和连续式炉。
间歇式炉具有许多优点，包括材料的灵活性，良好的温度和气氛控制。连续炉也具有其优势，例如高生产率和良好的温度控制。从工业化的角度来看，烧结工艺已经很成熟，吉凯恩的熔炉符合汽车行业的标准并经过验证。
▲ 烧结后的特性：由于摆放位置不同，烧结后，测试零件呈现多层和不同机械性能。
来源：GKN Powder Metallurgy
吉凯恩发现，经过烧结处理的粘结剂喷射金属3D打印零件，在密度上高于金属注射成型（MIM）零件，但在尺寸变化方面仍存在改进的空间，目前在构建和烧结过程中的尺寸变化率为2-3%，吉凯恩希望通过更强大的印刷和烧结工作流程达到与金属注射成型相当的尺寸精度。
I 工业化的催化剂-数字工作流程
3D打印技术作为一种典型的数字化制造技术，要实现工业化生产的应用，离不开数字工作流程的支撑。在数字工作流程中，吉凯恩认为需要为运营建立起数字孪生系统，将从粉末生产到零件生产的全过程实现数字化，通过数字孪生技术，增强过程控制，并实现质量完全可重复的打印过程。
▲ 增材制造数字孪生系统
来源：GKN Powder Metallurgy
吉凯恩已经针对粉末床激光熔融3D打印工艺建立了数字孪生系统，该系统可以产生许多协同作用, 实现从粉末生产到零件生产的全过程数字化。
3D科学谷
Review
任何一项新制造技术的发展都离不开应用的土壤。而谈到粘结剂喷射金属3D打印技术在生产中的应用，我们可以把话题切回到大众汽车与惠普、吉凯恩的合作上来，以汽车行业为例，看一下这一技术工业化应用前景。
大众将分三个阶段应用HP Metal Jet 3D打印技术。
最初，为了强化大众对金属3D打印的重视，大众通过HP Metal Jet 3D打印系统生产其新型ID.3电动汽车的微型模型，用于市场宣传目的。
接下来，是进行大规模定制和装饰部件的制造，并计划尽快将Metal Jet金属3D打印的结构部件集成到下一代车辆中，并着眼于不断增加的部件尺寸和技术要求。
未来的目标是每年制造5万至10万个的足球大小尺寸零件。这些3D打印组件可能包括变速杆和后视镜支架等。增材制造将凭借其在轻量化方面的优势而在不断增长的电动汽车的生产领域中获得部署，惠普预计不久的未来将生产经过完整安全认证过程的金属零件。
通过2019年的3D打印机出货量，也能够看到间接金属3D打印技术的发展。根据3D科学谷的合作伙伴CONTEXT, 2019年第二季度，金属3D打印设备发货量的前五名厂商(按照台数）分别是：GE, EOS, Markforged，Desktop Metal, 德国通快。在2019年上半年，中国国内市场上工业级打印机的出货量尤其强劲，而Desktop Metal和Markforged等新型的间接金属3D打印解决方案也受到了市场青睐。
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