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AM Power调研:金属FDM 和其他金属3D打印技术的比较

*原文来源:Ampower

 

引言:近年来,人们越来越喜欢使用粘结剂喷射成型技术和FDM技术来生产中小批量增材制造金属零件。德国的汉堡公司Ampower做了一项调查,研究金属粉末注射成型技术(MIM)是如何带动这些技术创新的,为了让设计者更好了解这些技术应用在商业生产中的可能性,他们还对比了这些技术的关键性能和所需成本。

 

随着电子行业、航空航天以及汽车制造等先进制造业的蓬勃发展,制造领域对精密金属制造零部件的要求也越来越高。一提到精密金属加工工艺,最频繁被提及的就要数金属粉末注射成型技术(MIM)了。

 

MIM技术起源于20世纪70年代,因为研制出了性能更好的粘结剂,该技术普及度更广了,人们开始研究能否使用金属粉末作为原料,之后金属粉末注射成型技术便诞生了,在1976年第一次申请专利。经过几十年的发展,如今全球MIM零部件总销售额已经超过20亿欧元,年复合增长率在10-20%之间。MIM主要应用在家用电子产品、医疗设备、汽车零部件、手表和电动工具等对精密零件有高要求的行业中。

 

由于具有高解析度,MIM技术制造的零件尺寸通常在5-50 mm之间,也可以制造一些重量只有0.02g的微米级尺寸零件,但却很难做到超过1kg的大零件。因此,能支持大尺寸精密金属零件生产的增材制造工艺应运而生。

 

ARC集团使用MIM技术制造的不锈钢作品“轴基础指南”在电子/电气组中获得MPIF特等奖

 

 

由MIM技术衍生出的新兴金属增材制造

 

增材制造技术已经有三十多年的历史,在过去五年里,由于工业生产中广泛应用这项技术来制作功能部件,使其得到迅速发展。

 

而与此同时随着新一代的手机等应用领域的不断增多,MIM技术的不断成熟发展,一些公司开始开发和MIM共用脱脂和烧结工艺的新型金属增材制造技术,目前逐渐兴起的就是由使用金属线材的熔融沉积成型技术(FDM)、和粘结剂喷射成型技术(BJ);我们把这两种新型金属增材技术和广泛使用的激光粉末熔融技术(LB-PBF)做对比,来分析三种技术。

三种金属增材制造成型技术

 

1. 金属熔融沉积成型技术(FDM)

 

金属熔融沉积成型技术(FDM)和一般的塑料FDM技术上相同,通过熔融挤出并层层叠增的方式成型,区别是所用的耗材多为金属粉末与有机粘结剂的混合物。

 

全球目前有三家主要企业提供端到端的解决方案,包括美国的Markforged和Desktop Metal公司,以及中国的Raise3D公司(复志)。

 

 

金属熔融沉积成型FDM技术原理

 

2. 粘结剂喷射成型技术(BJ)

 

粘结剂喷射成型技术是⼀种通过喷射粘合剂使粉末成型的增材制造技术,和许多激光烧结技术类似,以粉床为基础,使用喷墨打印头将粘合剂喷到粉末里,将粉末进行层层粘合,实现成型,该技术早期重点研究砂模铸造成型。初步发展后,由美国ExOne公司(后被Desktop Metal 收购)基于粘结剂喷射成型技术,开发了第一个金属粘接成型。

BJ粘结剂喷射成型技术原理

3. 激光粉末床熔合技术(LB-PBF)

 

激光粉末床熔合技术(LB-PBF),也称为选择性激光熔化,是一种基于粉末床的增材制造公一。使用粉末重涂装置(如刀片)在粉末床上逐层摊铺和整平薄层干粉。振镜扫描仪引导聚焦激光束,并根据3D模型数据在预先设计的区域选择性熔化粉末。

 

这3种金属增材制造工艺在零件设计、机械性能和成本方面都有各自特定的优势和限制。我们将从零件质量和经济价值两大方面对这3种工艺进行分析,为潜在用户找到各个使用场景所适用的技术。

 

工程的关键:材料,质量,设计

 

1. 材料种类

 

材料选择的多样性和它的性能都是影响新AM技术的关键因素。目前,由于激光粉末床熔合(LB-PBF)技术发展时间较早,积累了大量可用材料,包括铝合金、钛合金、镍基合金、铁基合金和贵金属合金,另外还有其他正在开发的材料,如镁合金。从理论上而言,任何可焊结的材料都可以用LB-PBF技术来加工。大量研究和论文重点关注这些合金的性能,这意味着工程师可以对这项技术的前景发展充满信心,LB-PBF技术的接受度比其他研究成果较少的技术高很多。

 

如今17-4PH和316L不锈钢是用于粘结剂喷射技术和金属熔融沉积成型技术(FDM)的主流材料,目前瑞典赫格纳斯旗下Digital Metal公司有提供由钛合金Ti-6Al-4V的打印,不过材料的开发难度并不是非常高,基本所有已知的MIM合金都可用于以烧结技术为基础的金属增材制造。因此对于铜和硬质合金材料而言其未来发展可以有较高预期——它们在LB-PBF技术中较难进行打印。另一方面,由于铝无法烧结,铝合金将很难加入新兴金属增材制造技术的可选材料中。

 

2. 金属性能

 

这项研究选择不锈钢合金316L和17-4PH来确定材料特性,这两种材料都可用于LB-PBF、MIM、金属FDM和粘结剂喷射工艺,因此能作为性能对比的测试材料。测试结果基于八个不同系统供应商提供的五十多个样本。完整的测试流程包括拉伸测试、硬度测试和表面粗糙度测量、显微观察和µCT分析。

 

结果报告将重点关注硬度测量和致密度测试,这也是金属零件质量的重要考量因素。致密度是好金属材料具备的最重要特性,其次是抗拉伸强度和疲劳特性。致密度同时能保证设计的气密性和水密性。这些情况中,部件低密度则必然要增加壁厚,才能避免部件的渗漏。

 

为了进行密度分析,用光镜来检验每种技术的六个切片,测试的样本来自几个粘结剂喷射技术和金属熔融沉积技术制造商,还有MIM和LB-PBF技术的样本。结果显示,各种技术的孔隙在大小、形状和分布情况都存在明显差异(如下图)。对于所有以烧结技术为基础的工艺,导致差异最可能的原因是脱脂和烧结的方案不同(采用第二代的硝酸/草酸催化脱脂法相比第一代的溶剂脱脂法的致密度更高),而不是因为不同的打印工艺。值得一提的是,所有MIM样品的密度都超过了95-97%的标准MIM烧结密度范围,这些头部的供应商都是会面向军工需求,有这样的表现不足为奇。

 

图:粘结剂喷射、金属FDM、MIM和LB-PBF的金相孔隙分析

 

为了尽量减少烧结温度和工艺流程的其他因素对机械性能的影响,还为了让工艺可比性更强,所有样本在烧结后都额外加热了相同时间。所有样本都放在1040°C真空环境内进行了一个小时的固溶处理。17-4PH样本进行了4小时550°C的额外硬化。图1、2是硬度测量的结果。从结果中可以看出,以烧结技术为基础的新兴增材制造工艺达到了ISO 22068对316L对MIM技术的要求数值, 17-4PH也接近/超过了ASTM的标准值。

 

图1 17-4PH的硬度(HV)

 

 

图2 在1040°C下固溶化处理316L的硬度(HV)

 

 

3. 设计自由度

 

与传统工艺相比,增材制造技术提供给设计更多优秀作品的可能性。但是在使用诸如LB-PBF之类的增材制造技术时,残余应力和支撑结构的要求给设计过程增加了限制。

 

虽然粘结剂喷射技术在制造过程中不需要支撑,但是烧结过程为了避免部件变形可能需要增加额外支撑。使用陶瓷支撑可以作为一种替代方式,将所有部件都固定住,放在在烧结过程容易变形的部位。这种方式只能用在大规模生产中,才能抵消成本的增加。

 

尺寸方面,MIM部件相对较小,通常大小只有50mm甚至更小。这种限制的原因在于脱脂和烧结工艺。实际上,脱脂工艺将材料厚度限制在5-10mm。超过这个厚度,脱脂时间就会成倍增加,或者根本无法完成脱脂。除此之外,烧结需要的温度接近材料熔点,当材料过大或者是复杂几何图形时,容易变形。在烧结过程中,部件有明显收缩,因此需要一个合适的表面来适应这种情况。

 

使用基于烧结技术的金属AM技术时,这些限制仍然存在。由于烧结过程中尺寸变形状况无法预测,需要测试多次来把握烧结期间会产生的变形情况。这也导致新兴的AM技术只能制造简单的几何零件,要制作复杂零件就要不断试验出错。

 

4. 表面质量

 

金属增材制造的另一个重要评价标准是表面质量,因为高精度和低表面粗糙度都能避免额外的机械后处理。LB-PBF制造的零件表面光洁度经常被拿来和铸造零件相比较。如果做外观件,其表面必须进行后处理,而如果是做内部结构件,则可以保持原样或只进行简单喷砂处理。MIM技术中,烧结后的零件质量通常能满足外观的要求。表面粗糙度以及尺寸精度的可重复性,能够生产高精度零件,且无需机械后处理。也可以将铣削操作放置在零件未烧结情况下,这样更容易操作,以烧结技术为基础制造的金属FDM和粘接喷射也一样。

 

本次研究通过触觉检测,分析了烧结后表面粗糙度的数据。这些数值是通过在zx平面和xy平面内测量样本平面得到的。两种测试方法的平均值能够进行技术比较。不过对于金属FDM技术而言,表面粗糙度很大程度取决于打印的方向(如图3)。

 

图3与LB-PBF和MIM相比,新兴增材制造技术样品平均表面粗糙度Ra数值(µm)

经济角度:成本和价值链

 

如果使用LB-PBF技术,金属增材制造特点是机器成本高、生产速度慢和材料成本高。所以并非技术上可行的方案,在经济上也可行。基于烧结技术的金属AM技术有望改变这种情况,大大降低金属增材制造打印零件的成本。

 

1.材料成本

 

适用于LB-PBF技术的金属粉末成本价在每公斤40到400欧元不等,具体价格取决于合金种类。不锈钢最便宜,在每公斤40到80欧元之间。目前粘结剂喷射技术和LB-PBF技术一样,使用球形粉末颗粒作为原料。然而,Desktop Metal等公司的新技术使用的则是传统的MIM粉末。由于诸如17-4PH的不锈钢MIM喂料每公斤价格仅5到10欧元,这可能能够降低80-90%的成本,不过还需要在此基础上算上粘结剂的价格。

 

金属FDM原料包括由金属粉末和有机粘结剂化合物制成的金属丝、颗粒或棒。粘结剂的成本已经包括在内,是基于传统MIM喂料(混合金属和粘接剂)制作的,目前如Raise3D使用的BASF的316L线材每公斤则要200欧元,其他供应商类似的金属耗材每公斤也要100欧元。而316L的喂料每公斤在15到18欧元之间,未来金属FDM技术价格会比LB-PBF技术的更低,尽管现在仍然高于PBF。

 

2. 设备采购

 

对双激光LB-PBF系统的设备投入一般约为50万欧元,加上折旧和损耗,机器平均每小时费用为30到40欧元。单激光系统价格最低,而最新的四激光系统每小时成本高达55欧元。

 

有相似成形范围,在300mm边缘长度范围内的粘结剂喷射系统投资成本差不多,只包括打印零件过程(不包括脱脂烧结流程)。此外,损耗和维护成本对这两种技术的影响不大,所以使用粘结剂喷射成型技术的机器每小时费用差不多。未来粘结剂喷射机的投资成本预计会更高,约为100万欧元(不包括脱脂烧结),不过有望能在将来提高生产率。

 

金属FDM系统在投资、维护和损耗方面成本低很多。仅计算打印过程,机器成本在3万到10万欧元之间,每小时费用为3到8欧元。

 

3. 效益情况

 

不同类型增材制造的批量生产成本是由各自系统的生产速度(cm³/h)和机器小时率计算出来的(如图4)。任何必要的机械后处理以及质量检查工作所产生的额外费用都不包括在内。

图4 新兴增材制造技术与LB-PBF相比,每个样件的平均成本

 

生产速度很难比较。虽然LB-PBF和FDM系统可以通过打印速率(随时间的体积变化,cm³/h)来量化对比,但粘结剂喷射工艺的打印速率很大程度上取决于填充密度。相同高度的打印工作使用的打印总时长相同,与体积无关。

 

分析表明,LB-PBF的生产速度主要取决于打印空间中同时工作的激光器数量。根据提到的每小时费用,每立方厘米不锈钢的成本在1到3欧元之间。层厚是金属FDM技术打印量的关键。增加层厚,生产速度就提高了,但是大大降低了精度和表面质量。如上文所说,原料成本跟使用系统也有关系。将这些变量纳入计算,每立方厘米不锈钢的成本在0.5到2.5欧元之间。

 

粘结剂喷射技术的生产速度是由总的打印时间和填充密度计算出来的。填充密度反映了所有零件体积总和,和完整成形范围相关。大批量生产中,不同部件混合打印的填充密度通常为10%,优化后的堆叠部件填充密度达到30%。打印时间在20到24小时之间。考虑到接下来几年该技术的发展潜力,成形范围会不断增大,由于有了双向单程喷射技术,总打印时间会降到10小时。目前使用不锈钢,每立方厘米的制造成本还在0.5到1欧元之间。

 

4. 烧结工艺

 

粘结剂喷射和金属FDM打印工艺后面总是跟着额外的脱脂和烧结工艺。这个环节的成本主要取决于系统供应商使用的脱脂和烧结技术类型。MIM多用催化剂脱脂和烧结,因为这样生产率高且容易控制工艺。另一方面,催化工艺需要大量设备投资、技术支持,还要使用硝酸或者草酸等化学药剂。

 

为了简化流程,一些以烧结技术为基础的金属增材制造技术供应商使用简易热脱脂和烧结方法。对壁厚3 – 4mm的部件,需要用到5万立方厘米体积的熔炉,加热大概16个小时。热脱脂和烧结熔炉每小时花费大概是13和23欧元,13是常用的脱脂工艺,23指的是常用烧结工艺。计算过程涵盖了公用服务和消耗品的费用,比如电费、燃气费、熔炉价格和每年6千小时运转时间,连续五年后的折旧费用和维护费用。计算不包括劳动力、基础设施和管理费用等。假设填充密度为10%,热脱脂和烧结成本预计每立方厘米0.08欧元。相比之下,催化剂脱脂和烧结成本每立方厘米0.28欧元。

 

以烧结为基础的增材制造技术对终端用户及供应链的影响

 

1. 终端用户

 

要为用户选择合适的技术时,部件制造商现在比以往拥有更多种选择。他们的选择也要求工程师研究掌握多种不同生产技术的只是。在过去的几年里,铸造和锻造工程师被迫使用和学习LB-PBF技术。现在,粘结剂喷射技术和金属FDM拓宽了领域,提供了更多选择。掌握不同生产技术的发展潜力、局限和特点等知识对未来的工程师而言,比以往任何时候都更重要。如图5的技术分类图是根据制造量和零件复杂程度,将技术分类,方便选择时借鉴。

 

图5 根据零件数量和复杂程度的技术分类

 

AM Power我们认为粘结剂喷射技术主要影响的是大规模生产,如汽车产业。金属FDM技术将会被运用到机械行业,特别是小规模生产、原型制作、夹具和工具中,在这一领域Desktop Metal的 Studio系统和Raise3D的Metalfuse系统都旗帜鲜明地将金属原型、工装夹具作为其核心市场应用;由于航空和植入物制造商对材料性能的高要求,我们认为这些产业不太可能使用以烧结为基础的新兴增材制造技术来制造高负荷的零件。

 

2. 供应链

 

随着这些新兴技术的发展,增材制造市场必然会产生巨变。从原料开始,当前金属粉末供应商面临的是粘结剂喷射和金属FDM技术的新市场,金属粉末厂商要准备好新的MIM棒材或者金属线材以面对这样的改变。

 

我们预计现有电子和激光束PBF系统制造商将着重发展要求严苛的高端市场,如医疗和航空业。PBF系统出色的材料性能和技术水平的高度完善,使得短期内粘结剂喷射技术不太可能受到高端市场的青睐。然而像汽车行业等大众市场将会慢慢将重心从LB-PBF技术转向粘结剂喷射技术上。由于价格潜力优势,金属原型和模具市场未来将会迅速使用金属FDM技术,并被占领。

 

粘结剂喷射技术的主要局限在烧结工艺支持的零件大小和复杂程度。将会有越来越多用户对提供烧结设备和提供烧结技术的公司感兴趣。此外,我们期待更多传统MIM生产商将以烧结为基础的增材制造技术纳入他们的发展蓝图中。