近日，中国机械工程学会全陶瓷轴承系列三项团体标准正式发布。

中国机械工程学会发布全陶瓷轴承系列三项团体标准
© 中国机械工程学会

加快发展的陶瓷技术

根据3D科学谷，谷专栏《增材制造陶瓷的历史、发展、未来》从历史的角度讨论了七种3D打印技术制造致密、结构先进的陶瓷部件。陶瓷增材制造的工业应用比金属和塑料材料大概晚十多年，这其中陶瓷增材制造的许多挑战可以追溯到加工结构陶瓷材料的内在困难，包括加工温度高、对缺陷敏感的机械性能和加工特性差。为使陶瓷增材制造领域成熟，未来的研发应着眼于扩大材料选择，改进3D打印和后处理控制，以及多材料和混合加工等独特能力。

 工业装备的“关节”

轴承被视为工业装备的“关节”，其性能直接影响着国民经济及国防领域超过万亿重大装备的可靠运行。

轴承的应用领域
© 3D科学谷白皮书

全陶瓷轴承是指内/外圈、滚动体等关键部件均采用陶瓷材料制得的高科技轴承产品。高精度全陶瓷轴承，在国内数控机床、国防军工、航空航天、石油化工、医疗器械等高端装备技术领域具有广泛需求，其制造水平体现了国家高端制造核心竞争力。

陶瓷轴承的应用领域
© 中国机械工程学会

实现高端装备用超精密全陶瓷轴承国产化，对于提升国内工业及装备制造业的整体水平和核心竞争力，推动国产高端装备向智能化、绿色化发展具有重大意义。

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 全陶瓷轴承在高端装备中的应用

全陶瓷轴承采用的工程陶瓷材料主要包括：氮化硅（Si3N4）、氧化锆（ZrO2）、碳化硅（SiC）等，其具有传统金属材料所不具备的优良物理化学特性。该类材料制得的全陶瓷轴承主要优势体现在：

（1）工程陶瓷材料的硬度远大于普通轴承钢，同型号轴承在相同工作条件下全陶瓷轴承使用寿命可提高30%以上；

（2）工程陶瓷材料热变形系数仅为轴承钢的1/4~1/5，在极端高温、低温及大温差工作条件下全陶瓷轴承可表现出良好的抗热震性，服役性能稳定；

（3）工程陶瓷材料密度小，转动惯量及离心力小，适用于超高转速，且承载能力强，抗磨性能好，故障率低；

（4）工程陶瓷具有耐腐蚀、磁电绝缘等特性，在腐蚀性、强磁场及电蚀等工况条件下的工作性能具有绝对优势。

目前全陶瓷轴承的极限工作温度已经能够突破1000℃，连续工作时间可达50000h以上，且具有自润滑特性，在无润滑条件下仍能保证工作精度与使用寿命。全陶瓷轴承结构特点恰好弥补了金属轴承在工程应用中的缺陷，具有超高转速、耐高/低温、耐磨损、耐腐蚀、抗磁电绝缘、无油自润滑等特性，适用于极度恶劣的环境及特殊工况，在高端技术领域具有广阔应用前景。

全陶瓷关节轴承、滚子轴承及球轴承样件

© 中国机械工程学会

 全陶瓷轴承标准

日前，经中国机械工程学会标准化工作委员会审定，以下三项标准正式发布。

《全陶瓷关节轴承 向心关节轴承》（T/CMES 04003-2022）

《滚动轴承 全陶瓷圆柱滚子轴承》（T/CMES 04004-2022）

《滚动轴承 圆柱孔全陶瓷球轴承产品几何技术规范和公差值》（T/CMES04005-2022）

该系列标准由中国机械工程学会生产工程分会组织，沈阳建筑大学（“高档石材数控加工装备与技术”国家地方联合工程实验室）牵头研制。该系列标准将于2022年4月正式实施。

该系列技术标准规定了全陶瓷关节轴承的相关术语、定义、具体型号、外形尺寸、公差范围及游隙标准；全陶瓷圆柱滚子轴承的分级、加工技术要求、配合技术要求及退刀槽技术要求；以及圆柱孔全陶瓷球轴承的尺寸和几何特性、公称尺寸极限偏差以及公差值，限定了全陶瓷轴承的工作界面（倒角除外）。依托该系列标准，进一步规范了全陶瓷轴承的设计、生产、装配及检验过程，保障全陶瓷轴承的性能质量，避免全陶瓷轴承在加工、检测及使用过程中产生不必要的损失，引导国内全陶瓷轴承行业健康有序发展，提升全陶瓷轴承在使用过程中安全性、可靠性和经济性，对提高国产全陶瓷轴承产品精度具有深远影响。

中国机械工程学会（英文简称CMES）是具备开展国内、国际标准化活动资质的全国性社会团体。制定中国机械工程学会标准，以满足企业需要和市场需求，推动机械工业创新发展，是中国机械工程学会标准的工作内容之一。中国境内的团体和个人，均可提出制、修订中国机械工程学会标准的建议并参与有关工作。

中国机械工程学会标准化工作委员会由来自国内高等院校、科研机构、企业、检测认证机构等方面的知名专家 28 人组成，并设立 40 个专业工作组负责标准的研制工作。

l 平台直通车：

http://www.ttbz.org.cn/StandardManage/Detail/59019/

知之既深，行之则远，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察，有关陶瓷增材制造领域的深度分析，请持续关注3D科学谷发布的《3D打印与陶瓷白皮书》。

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增材制造是制造复杂镍基高温合金零部件的新途径，然而多数适用于铸造的镍基高温合金从精密铸造工艺过渡到3D打印技术中使用时将遇到冶金缺陷。

根据3D科学谷的市场观察，铂力特针对选区激光熔化工艺，成功开发了K418 镍基高温合金材料的增材制造成形工艺，能够抑制该材料在3D打印过程中产生裂纹。

高温合金(K418) 3D打印叶轮© 铂力特

攻克开裂问题

铂力特 BLT-K418 是一种可应用于航空、航天、燃气轮机等领域的高温合金材料，在900℃以下具有良好的蠕变强度、热疲劳性能和抗氧化性能，可以解决传统工艺难加工、难制备的问题。

铂力特成功开发出K418合金的成形工艺，抑制激光成形 K418合金过程中产生的裂纹，为K418合金的成形提供一种重要的新技术途径，为该材料在航空、航天、燃气轮机等领域的应用提供新思路。

l 文章来源：铂力特

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KitkAdd项目已于2020年3月正式结束。本期，3D科学谷将借助项目成员吉凯恩粉末冶金通过混合制造工艺所开展的齿轮制造案例，揭示 KitkAdd 项目所探索的混合制造工艺在复杂工业零件制造领域的潜力。

两种工艺，更多优势

吉凯恩粉末冶金公司KitkAdd 项目组在进行零件制造时采用的混合制造工艺包括增材制造与压制烧结。项目组充分利用两种工艺的优势，如利用增材制造技术实现零件中的复杂结构，并结合使用压制烧结工艺降低整体成本、提高精度。

齿轮设计与生产项目是对KitkAdd 项目混合制造工艺的验证。在该案例中，项目团队只通过增材制造技术来制造能够为零件带来附加价值的部分，然后使用压制烧结工艺完成剩余部分。增材制造技术的应用价值是，通过面向增材制造的设计（DfAM）优化零件的噪声、振动和粗糙度（NVH）性能。

齿轮项目基本步骤

• 开发混合制造工艺；
• 用增材制造思维设计零件，利用增材制造技术的优势；
• 进行工艺链和成本分析，对比分析混合制造工艺与增材制造工艺、传统制造工艺。

 三种增材制造设计方式

通过混合工艺制造的齿轮分为3个模块，模块2（Modul2）为增材制造组件。来源：GKN

如上图所示，齿轮样件包含3个模块，模块2 为通过增材制造思维设计的部分，目的是实现降噪。

增材制造-3D打印的模块2 有三种不同的设计思路。如下图所示，第一个设计思路中（左1），该模块是完全使用增材制造技术制造的；第二个设计（中间）与第一个不同之处是，在边缘的空洞中集成了内部支撑杆，其作用是分配噪声并将其分解为许多较小的声波；在第三个设计中（右1），边缘处的孔洞中将被插入填充有金属粉末的3D打印胶囊，这种设计思路的目的是抑制声波并降低噪声。最终，项目团队在后两种设计中看到了更高的阻尼比。

三种不同增材制造设计方式的阻尼行为，第二种设计使得阻尼比增加了一倍，第三种的阻尼比则是第一种的5倍。来源：GKN

在完成模块2 的增材制造之后，3D打印零件（模块2）被放入粉末压机中，由压制烧结工艺制造齿轮的外部结构（ 模块3）。没有使用增材制造，而是使用压制烧结工艺制造模块3的好处是可以提高精度，并且所需要的后处理更少。对于整个齿轮的制造而言，将两种工艺相结合，仅在具有高附加值的部分应用增材制造技术，而其余部分进行压制与烧结，获得硬化与完全致密的零件，所需的整体制造时间更少，成本更低。根据3D科学谷的了解，吉凯恩在这种情况下能够将成本降低3倍。

 材料与设计的关键挑战

在齿轮案例中，开发混合制造工艺的挑战之一是在3D打印组件和粉末冶金组件之间找到最佳连接。根据3D科学谷的了解，项目团队使用的增材制造材料是20MnCr5，粉末冶金材料是Ancorloy 4，因为这两种材料具有相似的硬化性能。但尽管如此，项目团队仍想发现是否存在将两个组件结合在一起的最佳方法。

Ancorloy 4 材料典型分析与性质。来源：GKN

在这项研究中，他们尝试使用铜箔和铜浆粘合剂来连接零件，但是发现最好的结果是不使用任何粘合材料。通过调整压制工艺参数，项目团队获得的结果超过了初始要求，通过旋转负载测试测得的结果超过了1,000 牛米，而初始要求是150 牛米。

项目组为实现增材制造组件与粉末冶金组件而尝试了不同策略，优化压制工艺对改善两种组件的结合具有最好的效果。左边两种策略在连接两种组件时没有使用任何粘合剂，右边两种策略分别使用了铜箔与粘合剂。来源：GKN

该项目在设计阶段提出了另一个关键挑战：除了通过增材制造设计思维实现齿轮的NVH性能优化之外，项目组还需要考虑怎样使增材制造组件能够承受冲压过程。为此，项目组使用了拓扑优化来生成可以承受压力机的高压而不会变形的设计。

 更具成本效益

吉凯恩粉末冶金项目组针对KitkAdd项目所探索的混合制造工艺为粉末床熔化金属增材制造与压制烧结工艺相结合的工艺。吉凯恩在粉末冶金领域处于领先地位，每天生产超过1300万个烧结零件。KitkAdd项目中的其他成员则负责探索不同的混合制造工艺，如西门子将铸造与增材制造相结合，优化涡轮机叶轮。但无论哪种方式，目标都是相同的，即通过高质量、高产量的生产方法将复杂结构与附加值结合起来。

吉凯恩在齿轮设计与制造中所使用的混合制造工艺能够将增材制造的性能优势和更高成本效益相结合。吉凯恩与卡尔斯鲁厄技术学院（KIT）合作对这一工艺进行了成本效益分析，结果表明，与仅采用增材制造技术的方法相比，混合工艺可以实现具有成本效益的金属零件批量生产。

工艺成本和交货时间的对比分析图。项目组通过仿真确定每种混合制造方法的单位成本和交货时间，与单纯使用增材制造工艺相比，节省多达70％的成本是可行的。来源：GKN

目前，KitkAdd项目已正式结束，吉凯恩粉末冶金团队将开发更多能够受益于这一混合制造工艺的工业应用。总体而言，工业用户在混合制造工艺中的受益之处将是在保持成本和生产时间可控的情况下，利用增材制造技术提升零部件性能，获得附加价值。

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根据3D科学谷的市场研究，普惠加拿大通过新的设计寻求改进，使得行星架提供更加平衡的刚度，从而允许在减速级的每个行星齿轮的两侧上的载荷分布更加均匀。

 更平衡

普惠开发了一种限定中心纵向轴线的行星齿轮系，该行星齿轮系包括中心太阳齿轮，外齿圈和多个行星齿轮，这些行星齿轮安装到行星架，行星齿轮绕各自的行星旋转。至少在行星架和外齿圈，太阳轮，外齿圈和行星架之间的旋转运动与中心纵轴同心，行星架包括具有与纵轴同心的中心管状部分的行星架主体。

来源：US10760677B2

齿轮轴，行星齿轮设置成与中央太阳齿轮和外齿圈啮合，行星架包括与纵向轴线同心的中央设置的扭矩传递联轴器，并且在扭矩传递的轴向端具有扭矩传递点联轴器，第一和第二行星架板从扭矩传递联轴器径向延伸，第一和第二行星架板彼此平行并轴向间隔开，以在第一和第二行星架上的对齐齿轮安装点处支撑行星齿轮之间的行星齿轮行星架。

图中40通过增材制造实现结构一体化制造。来源：US10760677B2

行星齿轮架包括扭矩传递联轴器与纵轴同心地设置在中央，而承载板从扭矩传递联轴器径向向外布置，这些承载板在轴向上彼此间隔开，并通过中心连杆与扭矩传递联轴器连接，中心连杆径向外端终止于承载板的径向外周边，以使中心链节完全径向分布。

来源：US10760677B2

根据3D科学谷的市场观察，普惠的行星架具有更好的平衡刚度，从而具有更均匀的载荷分布，可以进一步优化齿轮的耐久性。行星架还可以帮助改善齿轮系的动力重量比。

行星齿轮架是整体的，根据3D科学谷的市场观察，3D打印-增材制造为这种结构一体化零件提供了制造方式，这种行星齿轮架适用于具有单个减速级，双重减速级或具有多于两个减速级的齿轮系的齿轮箱或齿轮系，普惠开发的齿轮系和齿轮箱构造不仅仅适用于燃气涡轮发动机，还具备其他领域的应用可行性。

 3D科学谷Review

3D打印一体化结构是一种具有代表性的为增材制造而设计（Design for additive manufacturing，DfAM）的结构。以增材制造的思维去设计时，需要突破以往通过铸造、压铸、机械加工制造所带来的思维限制，这个过程是充满挑战的。

此外，根据3D科学谷的市场观察，3D打印在实现一体化结构方面并非是一枝独秀的制造技术。减少建造时间，运营成本，制造成本，工厂占地面积，工厂运营成本，工具成本和/或设备数量，在2019年夏季，特斯拉发布了专利“用于车架和相关方法的多方向一体式铸造机”，该专利公开了特斯拉计划用于Y型的新型铸造机。通过压铸，特斯拉将从70个零件减少到4个零件，然后是1个零件，从而减轻重量，改善MBH，降低成本并大大减少资本支出适用于过去将70个零件放在一起的所有机器人。

结构一体化带来了直观经济效益，每个特斯拉工厂都将安装同一台用于Y型的单件铸造机，这将显着提高Y型的质量，提高生产速度并降低成本。这将使特斯拉能够降低其汽车价格，并加速向全球所有汽车市场的扩展。

不管是通过3D打印来实现，还是通过压铸或者其他的制造技术，结构一体化，正在成为竞争道路上的一个重量级的筹码。

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非晶态金属集众多优异性能于一身，如高强度、高硬度、耐磨以及耐腐蚀 等。这些优异的性能使其在航空航天、汽车船舶、装甲防护、精密仪器、电力、 能源、电子、生物医学等领域都存在广泛的应用前景。

然而，非晶态金属的制造是充满挑战的过程，特别是通常需要高于其熔化温度，并迅速冷却，使其避免结晶，从而形成的非晶态金属玻璃。制造过程需要非凡的冷却速度，并限制了它们可以形成的厚度，因为较厚的部分很难被迅速冷却。

4月初，金属材料制造商贺利氏（Heraeus ）发布了他们通过SLM （选区激光熔化）3D打印技术制造的非晶态金属齿轮。贺利氏表示这是迄今为止全球最大的非晶态金属部件，他们正在突破非晶态金属的制造界限，为制造业开辟非晶态金属的全新设计可能性。

 非晶金属的全新设计可能性

根据贺利氏，这一3D打印非晶态金属齿轮采用紧凑型设计，重量为2千克。由于这种材料所需的高冷却速率超过1000开尔文/秒，以前只能由非晶态金属生产小型部件。

 图：3D打印非晶态金属齿轮及粉末材料，来源：Heraeus

贺利氏开发的3D打印非晶态金属齿轮采用拓扑优化结构，与传统制造工艺相比，齿轮重量能够减轻50％。贺利氏通过SLM 3D打印技术，在非晶态金属齿轮的尺寸和设计复杂性方面重新定义了传统技术的限制，改变了这类材料的设计可能性。

图：完成打印的非晶态金属齿轮，来源：Heraeus

采用贺利氏的特殊非晶态金属3D打印材料和SLM 3D打印设备，能够进行非晶态金属粉末的高精度逐层生产。该工艺将减少材料使用，制造拓扑优化的复杂减轻化结构，并通过优化设计、减少材料使用的方式降低非晶态金属整体制造成本。

 3D科学谷Review

非晶态金属在高科技领域有着非常广泛的用途。它们拥有能量吸收、防刮擦能力，同时还有很好的弹簧属性。非晶态金属的这些特性使它们可以用做注射喷嘴的隔板、消费类电子产品的外壳 ，或作为扬声器的半球形高音喇叭。但是受到制造技术的局限，在过去的50年里非晶态经书的商业应用也受到了限制。

根据3D科学谷的市场观察，贺利氏集团与瑞典Exmet公司合作研发非晶态金属3D打印技术，有望改变该材料的应用现状，而贺利氏开发出的非晶态金属3D打印齿轮，意味着非晶态金属3D打印部件制造朝着商业化更进了一步。

与贺利氏合作研发非晶态金属3D打印技术的Exmet公司，是一家致力于非晶态金属3D打印的初创企业，该公司在2017年与德国工业级3D打印机制造商EOS所属的风投公司AM Ventures签订了投资协议。Exmet与工业级金属3D打印设备企业以及金属材料制造商的合作，无疑将进一步推进非晶态金属3D打印技术的研发和商业化。

根据3D科学谷的市场观察，我国科研院所也在开展对于非晶态金属3D打印技术的研究，例如大连交通大学研究非晶态金属的制造已久，他们通过采用熔体喷铸的方法制备了板状非晶合金Zr55Al10Ni5Cu3。大连理工大学通过真空操作环境中主要利用将工作台外侧设置冷却液工作池，保证所制备的金属构件始终处于较低温度，提高金属构件熔池附近的温度梯度，从而快速高效地扩散掉金属构件熔池附近热量，进而避免晶化的发生。

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