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烧结变形、几何形状受限…间接金属3D打印的短板正在消失

摘要:

Binder Jetting 粘结剂喷射金属3D打印技术,通过将金属粉末与粘结剂层层粘结成为零件毛坯,再经过脱脂烧结过程制造成金属零件的间接金属3D打印技术。这种生产系统与粉末冶金(包括金属注射成型工艺,MIM)颇有近亲的感觉,然而其制造过程中并没有使用模具。这种技术将使制造商能够显著降低其成本,从而使该技术成为铸造的替代技术。根据3D科学谷的市场观察,这一间接金属3D打印工艺引起了汽车制造商的兴趣,例如大众汽车将使用惠普的粘结剂喷射金属3D打印技术,首先进行大规模定制和装饰部件的制造,并计划尽快将通过该技术制造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。

Binder Jetting 粘结剂喷射金属3D打印技术,通过将金属粉末与粘结剂层层粘结成为零件毛坯,再经过脱脂烧结过程制造成金属零件的间接金属3D打印技术。这种生产系统与粉末冶金(包括金属注射成型工艺,MIM)颇有近亲的感觉,然而其制造过程中并没有使用模具。这种技术将使制造商能够显著降低其成本,从而使该技术成为铸造的替代技术。根据3D科学谷的市场观察,这一间接金属3D打印工艺引起了汽车制造商的兴趣,例如大众汽车将使用惠普的粘结剂喷射金属3D打印技术,首先进行大规模定制和装饰部件的制造,并计划尽快将通过该技术制造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。

      然而,在粘结剂喷射金属3D打印技术走向规模生产应用之前,有效控制烧结变形是必须要解决的问题。通过仿真软件进行烧结变形控制替代反复试错与经验判断,是粘结剂喷射金属3D打印领域展现出的明显趋势。

         粘结剂喷射金属3D领域的独角兽企业Desktop Metal 近日推出了用于烧结变形控制的仿真软件-Live Sinter™。该软件将首先交付给其车间系统Shop System™(2020年底交货)和生产系统Production System™ (2021年交货)的用户使用。

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Video Cover_Desktop MetalDesktop Metal金属3D打印

快速校正与预测烧结结果

block 烧结的挑战

      烧结是基于粉末冶金制造工艺(包括粘结剂喷射金属3D打印)中的关键步骤。烧结过程将零件加热至接近融化以赋予其强度和完整性,但此过程通常会使零件收缩,相对于其原始3D打印或模制尺寸收缩可达20%。在烧结过程中,支撑不当的零件还会面临很大的变形风险,从而导致零件从炉子中破裂、变形或需要昂贵的后处理才能达到尺寸精度。

     几十年来,烧结变形一直是粉末冶金行业的现实。在大部分时间里,解决方案一直是由经验丰富的人通过反复的试错和经验,将零件设计调整与各种烧结支撑物或“固定器”结合在一起,以实现稳定的大批量生产。

block 改变游戏规则

      根据Desktop Metal, Live Sinter™ 仿真软件将通过最大程度地减少对试验和错误的依赖,通过仿真技术来改变游戏规则。有了该软件的加持,用户无需成为粉末冶金专家,也能够制造准确的零件。

      Live Sinter™ 不仅可以纠正烧结过程中通常会遇到的收缩和变形,而且还为将减少粘结剂喷射金属3D打印技术制造复杂几何结构的挑战,通过改善烧结零件的形状和尺寸公差,提高复杂几何形状零件的首次成功率,并复杂几何形状零件的首次成功率。Desktop Metal 称,在许多情况下,该软件甚至可以支持在不使用支撑/定位器的情况下进行零件烧结。

block “负偏移”几何可补偿失真

     Live Sinter™ 可以针对多种合金进行校准。它可以预测零件在烧结过程中会发生的收缩和变形,并自动补偿这种变化,从而创建“负偏移”几何形状,打印完成后将烧结到原始预期设计的规格。软件可以在特定方向上以精确的数量主动对零件的几何形状进行预变形,从而使其在烧结时能够达到预期的形状。

     烧结仿真是一个复杂的多物理场问题,涉及建模零件和材料如何响应多种因素,包括重力、收缩率、密度变化、弹性弯曲、塑性变形、摩擦阻力等。此外,在烧结过程中发生的热力学和机械转变是在强烈的热量下发生的,因此,如果不中止烧结过程或观察高温拍摄图像的变形,就很难观察到它们。但这类方式在新产品研发应用中或许能够被接受,但由于严重延迟了生产时间,这类方式在批量生产应用中则难以被接受。

       Live Sinter™ 软件旨在应对烧结中的挑战,为增材制造工程师提供快速且可预测的烧结结果。根据Desktop Metal的数据,仿真结果可在五分钟内完成,而负偏移几何形状则可在二十分钟内完成。

block 高速仿真

      Live Sinter™ 能够对烧结进行高速仿真预测,与GPU和简化的校准有关。Live Sinter™ 在GPU加速的多物理引擎上运行,能够对数十万个连接的粒子质量与刚体之间的碰撞和相互作用进行建模。多物理引擎的动态仿真使用集成的无网格有限元分析(FEA)进行了改进,该分析可计算零件几何形状之间的应力、应变和位移,不仅用于预测收缩和变形,还可以预测风险和故障。在开始进行基于烧结的零件增材制造之前,就验证其可行性。

借助这种在速度和精度之间取得平衡的双引擎方法,与使用复杂网格并需要复杂设置和工时才能完成的通用仿真工具相比,Live Sinter™ 可以在五分钟内模拟一个典型的烧结炉周期,并生成负的偏移几何形状,在二十分钟内补偿收缩和变形。此外,该软件可以与新材料和烧结硬件、工艺参数进行校准兼容。

     Live Sinter™ 烧结工艺仿真软件除了在2020年第四季度起向Desktop Metal的粘结剂喷射金属3D打印系统用户提供之外,还可能向任何基于烧结的粉末冶金工艺提供。

      与PBF基于粉末床的选区激光熔化金属3D打印工艺相比,Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术具有几个关键优势:更具经济性的粉末材料(类同于MIM工艺所用的金属粉末材料);高效的打印速度适合大批量生产应用,包括汽车、飞机零件、医疗应用。

      Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术与几乎所有其他金属3D打印工艺相比都是独一无二的,因为在3D打印过程中不会产生大量的热量。这使得高速打印成为可能,并避免了金属3D打印过程中的残余应力问题。Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术将热加工过程转移到烧结步骤,这使得更容易管理热应力,因为烧结温度低于其他类型的金属3D打印工艺中所需的完全熔化温度,并且热量可以更均匀地施加。然而,这并不能完全消除温度梯度和产生残余应力的挑战。

      Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术有可能取代小批量,高成本的金属注射成型,还可以用于生产其他领域复杂而轻便的金属零件(例如齿轮或涡轮机叶轮),大幅降低3D打印成本,并缩短交货时间。

      但管理和补偿烧结阶段发生的大量收缩是Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术面临的最大挑战之一。零件在炉内收缩30-40%,线性收缩15-20%。如果零件很小并且壁厚均匀,那么收缩是可以预测的。然而,不同厚度的大型零部件的烧结过程会对几何形状产生非常复杂的问题。根据3D科学谷的市场研究,烧结收缩目前严重限制了Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术适用的几何形状和应用类型。这些粘结剂喷射金属3D打印技术的短板正在仿真软件的发展中逐渐消失。国际上,通用仿真软件企业和基于烧结的间接金属3D打印技术企业都将烧结仿真技术推向了市场。当制造商希望利用粘结剂喷射等基于烧结的间接金属3D打印技术的灵活性进行批量生产时,仿真揭开了烧结过程的“神秘面纱”,成为这类间接金属3D打印技术走向生产的关键“伴侣”。


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