拐点逼近,Fraunhofer开发出用于3D打印的新型钢合金

当考虑到如何为汽车行业生产轻质和抗碰撞部件的时候,3D打印市场需要新的不锈钢合金粉末材料来满足客户日益复杂的需求。虽然激光粉末床熔化金属3D打印技术(LPBF)面临着诸多挑战,然这项技术具备通过数字化材料来改进组件功能的能力。这为用户提供了可持续优化产品价值链的上升空间。

Fraunhofer_Stainless steel alloy_1Fraunhofer ILT研究所开发新型不锈钢合金。来源:Fraunhofer

block 打造“上风口”风势

在过去的几年里,德国弗劳恩霍夫-Fraunhofer ILT研究所的科学家们不断致力于通过LPBF技术开发从原型到小批量复杂零件的方法。

激光粉末床熔化金属3D打印技术-LPBF已被航空航天,涡轮机械,医疗设备和其他行业的公司用于生产复杂的功能部件。然而,要扩展到更广阔的行业采用,需要广泛可用且经济的材料。

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Fraunhofer ILT研究所开发新型不锈钢合金。来源:Fraunhofer

对于不锈钢合金粉末材料来说,目前的一个市场挑战是如何开发出表面硬化,并且可以热处理的不锈钢合金粉末材料。是否存在可以被认证的材料,这些可以使零部件在LPBF加工过程中不会形成裂缝或缺陷

有时候要加工出合格的零件,仅仅调整LPBF工艺和设备是不够的,因为目前使用的不锈钢合金粉末成分特别适合于传统的制造技术,而不是专门为3D打印工艺所开发的。

然而,通过传统加工技术,不锈钢均存在加工时切削强韧、切削温度很高的特点。当强韧的切削流经前刀面时,将产生黏结、熔焊等黏刀现象,影响加工零件表面的粗糙度。

Fraunhofer_Stainless steel alloy_3Fraunhofer ILT研究所开发新型不锈钢合金。来源:Fraunhofer

而通过LPBF工艺加工不锈钢粉末材料,解决了传统切削方式加工的弊端。3D打印不锈钢材料缩短了产品的开发制造周期,可快速高效地进行小批量复杂零部件的制造

正是出于这个原因,2019年初,德国的SMS公司,Deutsche Edelstahlwerke特种钢公司,Fraunhofer ILT研究所,以及Fraunhofer ILT的孵化企业Aconity在亚琛推出了AddSteel项目,开发专门用于LPBF工艺的新型不锈钢合金粉末材料。

开发新型不锈钢合金粉末需要正确的金属元素,正确的组合和冶金学的创造力 – 特别是在LPBF工艺下,不锈钢合金粉末将以新的方式加工。AddSteel项目合作伙伴选择通过快速迭代过程来开发合金,并结合对LPBF工艺和设备的系统调整。

目前,项目进展快速,在SMS集团已经建立了一个可以制造合适的金属粉末的工厂,Deutsche Edelstahlwerke特种钢公司现在正在供应新合金,Fraunhofer ILT在不断的对开发出来的新型合金进行加工测试。

AddSteel项目合作伙伴将钴,碳,钼,钒和钨等元素与不锈钢材料结合在一起,改变相应的合金成分。

block 3D科学谷Review

当前3D打印要进入到产业化领域的一大瓶颈是效率与成本,当前3D打印的产品价格中高达70%的成本来自设备成本,而材料也占据了30%的成本。而在传统制造工艺中,材料成本不超过产品成本的3%。

在推动激光粉末床熔化金属3D打印技术-LPBF走向产业化发展方面,Fraunhofer可以说是设备、材料、软件多方面布局。

设备方面,在亚琛Fraunhofer ILT激光技术研究所的领导下,“futureAM – 新一代增材制造”于2017年11月推出,旨在将金属部件的增材制造加速至少10倍。

不仅寻求制造技术层面的突破,Fraunhofer一直在开发数字流程链,通过可扩展的,强大的增材制造系统技术和自动化流程以及量身定制的增材制造材料来提升3D打印技术的产业化潜能。

亚琛的科学家还正在研究监测金属3D打印的新方法,以提高工艺的稳定性和制造的可重复性。通过在构建平台中使用结构传感器,希望在未来监测关键的缺陷,例如支撑结构何时发生撕裂。此外,超声波传感器还用于分析空气中爆破的声音以确定与组件质量的相关性。

在质量控制方面,Fraunhofer将不断推动基于激光的超声波测量的研究,将在未来更进一步进行一系列的研究,包括研究脉冲激光是如何引起结构噪声,这些变化通过激光振动计检测以形成变量之间相关性的研究。Fraunhofer希望在制造过程中发现空隙的产生,以便能够立即进行干预。

金属粉末方面,就在不久前,3D科学谷还分享了Fraunhofer IFAM 采用新的生产方法,可以将铁基金属粉末的成本降到当前成本的10%左右。钛金属粉末等其他材料,也能够通过新的制备工艺生产出廉价的替代品。

早一步看见未来,早一步接近成功。3D科学谷认为,随着近期所揭示的新的进展,《SLM金属3D打印获新突破,LLNL新技术可降低90%的残余应力》《无毛孔的SLM金属3D打印,Nature子刊揭示热毛细力驱动的孔隙消除机制》,随着上述金属粉末床的两大痛点(应力与毛孔 )的有望解决,由可调微结构组成的新“数字材料”将引领材料科学和生产的新维度。

3D科学谷预测,SLM (LPBF)技术将在2020年迎来发展上的拐点,进入快速上行通道

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