金屬3D打印機(jī)生產(chǎn)鋼制零件。材料制造商正在更多地投資開發(fā)新的金屬3D打印材料。
由于增材制造越來(lái)越有吸引力，材料制造商在開發(fā)新的金屬3D打印材料方面投入了更多資金。這與10年前甚至僅僅5年前相比簡(jiǎn)直是一個(gè)巨大的變化，當(dāng)時(shí)市場(chǎng)規(guī)模不夠大，技術(shù)不夠先進(jìn)，不足以讓材料制造商在這3D打印材料上冒險(xiǎn)。金屬增材制造在過去十年中走了多遠(yuǎn)，以及前景如何？我們向金屬增材制造領(lǐng)域的四位專家了解了他們的見解：
惠普3D打印融合科學(xué)全球主管Cheryl MacLeod：當(dāng)惠普于2015年進(jìn)入AM時(shí)，硅谷計(jì)算機(jī)巨頭希望采用新方法開發(fā)金屬材料。惠普當(dāng)時(shí)注意到原型設(shè)備市場(chǎng)缺乏，因此它與英國(guó)航空航天和汽車零部件公司GKN合作開始了metal Jet生產(chǎn)服務(wù)。由此，惠普現(xiàn)在為汽車、工業(yè)和醫(yī)療客戶生產(chǎn)定制的不銹鋼粉末，包括大眾汽車、GKN、威樂和Parmatech。惠普通過其開放式材料平臺(tái)繼續(xù)開發(fā)新材料，用于metal Jet和Multi Jet Fusion。
Sandvik Osprey公司業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理Keith Murray：近20年來(lái)，Osprey CE與Sandvik合作開發(fā)了可控膨脹合金和金屬粉末。該材料計(jì)劃提供全系列材料：鐵基合金（不銹鋼和馬氏體時(shí)效鋼）、鎳合金、銅合金和鈷合金、以及鋁和鈦。Sandvik創(chuàng)造了自己的氣體霧化技術(shù)，其能力范圍從為原型開發(fā)提供小規(guī)模金屬粉末到大規(guī)模生產(chǎn)的大批量生產(chǎn)。
Elementum 3D的總裁兼創(chuàng)始人Jacob Nuechterlein：作為AM材料、參數(shù)和研究開發(fā)的公司，我們處于生產(chǎn)新金屬合金和復(fù)合材料的最前沿。擁有冶金背景的Nuechterlein于2014年在位于科羅拉多州Erie的公司成立，以擴(kuò)大合金產(chǎn)品組合。四年前，市場(chǎng)上只有12種商業(yè)金屬合金，而鋁材料有60多種。隨著激光粉末床的發(fā)展，Elementum 3D已經(jīng)開發(fā)了許多鋁合金“超材料”，如鎢和鉭，鋼和鎳基合金，以及銅等耐火材料。
Praxair Surface Technologies增材制造業(yè)務(wù)經(jīng)理Andy Shives：工業(yè)氣體生產(chǎn)商Praxair公司通過熱噴涂涂層市場(chǎng)生產(chǎn)金屬粉末已有50多年的歷史。因此，它的AM部門Praxair Surface Technologies（PST）在過去十年中已成為全球最大的金屬增材制造商之一。PST現(xiàn)在的經(jīng)營(yíng)面積為300,000平方英尺。印第安納波利斯的工廠致力于生產(chǎn)金屬和陶瓷粉末。PST將鎳、鈷、鐵、鈦和銅基合金霧化，適用于幾乎所有相關(guān)市場(chǎng)：航空航天、能源和工業(yè)，以及汽車和醫(yī)療行業(yè)的擴(kuò)展范圍。
增材制造材料開發(fā)的速度與五到十年前相比如何？
Andy Shives：10年前，許多大型企業(yè)甚至都沒有參與增材制造，更不用說金屬增材制造了。但即使在今天，它仍處于早期階段。生產(chǎn)中的應(yīng)用程序或部件的數(shù)量仍然很少。現(xiàn)在，尤其是在過去的五年中，人們對(duì)哪些合金是可打印的，以及在某些過程中需要更多地觀察哪些合金的知識(shí)已經(jīng)有了很大的提高。例如，一種合金可以很好地用于激光粉末床工藝，但在電子束工藝中卻不能很好地運(yùn)用?，F(xiàn)在客戶真正了解了哪種合金最適合特定應(yīng)用。我們已經(jīng)看到過去兩到三年內(nèi)這種情況顯著增加。
Keith Murray：如果我們?cè)?007年進(jìn)行了這次談話，你問我在哪里看到技術(shù)發(fā)展，我想任何人都會(huì)發(fā)現(xiàn)很難真正預(yù)測(cè)它會(huì)走多遠(yuǎn)。如果你回到那時(shí)，全世界可能安裝了100臺(tái)機(jī)器。這是一個(gè)非常小眾的應(yīng)用和技術(shù)。起初它只是我們業(yè)務(wù)的一個(gè)有趣的補(bǔ)充部分，但顯然這些年來(lái)發(fā)生了很大變化。從10年前開始，行業(yè)規(guī)模、創(chuàng)新水平、興趣水平和材料需求水平都發(fā)生了翻天覆地的變化。
Jacob Nuechterlein：尤其是，其中一些與我們可用于材料開發(fā)和一般打印的計(jì)算能力和工具有關(guān)。設(shè)備的靈活性已經(jīng)使我們深入了解它是如何工作的，以及我們?nèi)绾问顾兊酶谩，F(xiàn)在人們現(xiàn)在明白何為AM材料霧化，他們看到了它的市場(chǎng)。在過去，有很多變量，現(xiàn)在人們已經(jīng)學(xué)會(huì)了不同的交易技巧，以便您可以獲得更一致的產(chǎn)品。有更多地方可以采購(gòu)不同的材料。我認(rèn)為，競(jìng)爭(zhēng)會(huì)產(chǎn)生更好的產(chǎn)品。
將金屬粉末倒入3D打印激光燒結(jié)機(jī)的腔室中。
制造商是否更公開地采用3D打印作為真正的制造選擇？
Cheryl MacLeod：這是肯定的，展望未來(lái)，我們相信材料開發(fā)將會(huì)出現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)。更多材料合作伙伴有興趣發(fā)展他們制造AM粉末的能力，隨著技術(shù)變得更適合生產(chǎn)，我們看到公司更愿意投資更廣泛的高性能材料。我們正處于拐點(diǎn)，技術(shù)最終開始達(dá)到成熟水平，這將使其超越原型設(shè)計(jì)和小批量生產(chǎn)，并逐步實(shí)現(xiàn)全面生產(chǎn)。問題不在于3D打印是否會(huì)成為全球大規(guī)模生產(chǎn)的新平臺(tái)，而是時(shí)候到了。
Jacob Nuechterlein：我今天的談話與我創(chuàng)辦公司時(shí)的談話完全不同。過去，即使是四年前，人們會(huì)更多地談?wù)摗癆M是什么？”，而現(xiàn)在談話內(nèi)容更多時(shí)候是“如何使用AM？”。這是非常不同的對(duì)話。
Andy Shives：五年前，許多公司仍在探索是否應(yīng)該購(gòu)買一臺(tái)或幾臺(tái)機(jī)器——或者他們本可以與擁有機(jī)器的外部承包商合作?，F(xiàn)在很多這些公司至少有一臺(tái)金屬打印機(jī)在內(nèi)部進(jìn)行自己的研究。所以，他們已經(jīng)做了初期投資。它已經(jīng)足夠重要了。
現(xiàn)在影響3D打印材料發(fā)展的因素是什么？
Keith Murray：它仍然是一個(gè)多元化的領(lǐng)域。在自己的制造過程中，有不同的影響對(duì)于公司而言是一個(gè)很好的附加旅程。他們?cè)絹?lái)越接近，將它作為一種嚴(yán)肅的生產(chǎn)工具，推動(dòng)開發(fā)改進(jìn)材料和一致性，而不僅僅是為了在工藝方面、材料特性有更好的再現(xiàn)性。所以它真的是要理解細(xì)節(jié)和細(xì)化規(guī)范，以便為您提供一個(gè)在工業(yè)基礎(chǔ)上穩(wěn)定的工藝。
Cheryl MacLeod：目前最大的影響力是制造商從原型制造到生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變。這對(duì)材料產(chǎn)生了巨大影響——從擅長(zhǎng)原型制作的材料轉(zhuǎn)變?yōu)楦m合生產(chǎn)的材料。對(duì)于金屬而言，這完全取決于生產(chǎn)。我們認(rèn)識(shí)到，行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者的開放生態(tài)系統(tǒng)對(duì)于更大的創(chuàng)新、突破性經(jīng)濟(jì)以及3D打印材料和應(yīng)用的更快開發(fā)至關(guān)重要。當(dāng)您查看垂直市場(chǎng)或任何您看到批量生產(chǎn)的地方時(shí)，大多數(shù)都有一套特定的規(guī)律、文檔和流程已成為這些垂直行業(yè)的既定規(guī)范。
Andy Shives：許多客戶開始使用的許多合金都來(lái)自不同市場(chǎng)的規(guī)格，例如鑄造和鍛造。它們不是為增材過程編寫的。我們現(xiàn)在看到的是客戶越來(lái)越熟悉增材制造機(jī)器，各種技術(shù)以及創(chuàng)建自定義參數(shù)集?，F(xiàn)在為AM設(shè)計(jì)規(guī)范，由此產(chǎn)生的是合金化學(xué)和粒度分布的調(diào)整。您所了解的定制合金可能與眾所周知的標(biāo)準(zhǔn)合金有所不同。或者它可能是一種真正為增材制造設(shè)計(jì)和制造的全新合金。
進(jìn)一步推動(dòng)材料開發(fā)還有哪些障礙？
Cheryl MacLeod：雖然3D打印已經(jīng)存在了30多年，許多工程師仍然在思考如何將技術(shù)和材料首次引入應(yīng)用——盡管該領(lǐng)域已經(jīng)有很多創(chuàng)新。例如，我們?nèi)匀粡牟牧辖嵌攘私夥勰┐睞M工藝所需的內(nèi)容，并弄清楚如何更好地將核心材料與每個(gè)工藝的實(shí)際輪廓相匹配。注射成型已經(jīng)有了一個(gè)世紀(jì)的時(shí)間來(lái)解決這個(gè)問題。
材料制造商正在更多地投資開發(fā)新的金屬3D打印材料。
Jacob Nuechterlein：具體而言，材料開發(fā)的障礙是能力和結(jié)果。您希望能夠說這一批與下一批是一樣的，但客戶需要大量數(shù)據(jù)。對(duì)于我們發(fā)布的每種材料，我們必須生成大量數(shù)據(jù)，以使客戶在大批量生產(chǎn)之前感到舒適。無(wú)論在哪使用，都要有一定的靈活性和風(fēng)險(xiǎn)承受能力。但是，如果您正在談?wù)撝谱髡麄€(gè)制造過程并且您將要購(gòu)買20臺(tái)，30臺(tái)打印機(jī)，那么您希望對(duì)材料在您的部件中的表現(xiàn)令你非常滿意。
Keith Murray：標(biāo)準(zhǔn)化是一個(gè)非常重要的話題。現(xiàn)在有不同的委員會(huì)，如美國(guó)的美國(guó)測(cè)試和材料協(xié)會(huì)（ASTM）F42組以及更多以歐洲為基礎(chǔ)的ISO / TC 261委員會(huì)。但它也在研究合作。我們的材料公司擁有150多年的加工材料歷史。我們對(duì)材料方面有很多固有的知識(shí)——可能比構(gòu)建機(jī)器的一些技術(shù)公司更為重要。因此，您已經(jīng)匯集了合作，利用相對(duì)優(yōu)勢(shì)——材料和流程——來(lái)提供整個(gè)解決方案。技術(shù)的迅速發(fā)展如此迅速，試圖跟上并覆蓋所有應(yīng)用可能非常具有挑戰(zhàn)性。
機(jī)器開發(fā)商和原始設(shè)備制造商之間的關(guān)系是否仍然在推動(dòng)3D打印材料開發(fā)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用？
Andy Shives：有些設(shè)備OEM與某些終端客戶密切合作進(jìn)行驗(yàn)證。我們看到很多做專有參數(shù)集的OEM都會(huì)自己做很多驗(yàn)證。很秘密和專有，他們不希望設(shè)備公司或其他供應(yīng)商確切地知道他們正在做什么應(yīng)用或設(shè)計(jì)。
Cheryl MacLeod：我們的愿景是將我們的開放式材料平臺(tái)更深入地?cái)U(kuò)展到金屬中，以便每個(gè)人都可以在我們的平臺(tái)上輕松創(chuàng)新。我們與認(rèn)證材料合作伙伴的合作取得了進(jìn)展。當(dāng)科學(xué)被很好地理解，它被簡(jiǎn)化為一組預(yù)測(cè)建模和軟件工具，幾乎任何人都可以使用時(shí)，可能會(huì)有一個(gè)附加點(diǎn)。在那時(shí)，原始設(shè)備制造商和材料公司之間的深層關(guān)系將不那么重要，但這對(duì)于增材制造來(lái)說還不存在。
Jacob Nuechterlein：甚至超過了這個(gè)范圍?，F(xiàn)在有很多不同的選擇，關(guān)于你將如何做出自己的貢獻(xiàn)，以及為什么你要再次成為這一部分。當(dāng)然，機(jī)器制造商正在推動(dòng)該行業(yè)的最大部分，但不是全部?，F(xiàn)在它開始出現(xiàn)在需要搞清楚的個(gè)人應(yīng)用程序中。AM非常適合這種情況，特別是對(duì)于小型制造公司而言。我想說我們四分之一的業(yè)務(wù)是尋找如何用功能原型來(lái)制作單個(gè)零件的小公司。
在不久的將來(lái)，影響3D打印材料開發(fā)的最重要的事情是什么？
Andy Shives：一個(gè)重大轉(zhuǎn)變可能是3D打印的設(shè)計(jì)。行業(yè)中的下一代工程師正在接受不同的培訓(xùn)，以設(shè)計(jì)新零件。在過去的幾年中，人們對(duì)此非常關(guān)注。我們開始看到大型原始設(shè)備制造商的早期階段。因此，一旦增材制造應(yīng)用的這些新設(shè)計(jì)得到市場(chǎng)的確認(rèn)和驗(yàn)證，我們將開始看到產(chǎn)量進(jìn)一步增加。
Keith Murray：我不確定下一件大事，但它是提高性能和成本效率的結(jié)合。您是否可以開發(fā)一種具有較低內(nèi)在金屬成本的材料來(lái)替換現(xiàn)有的一些材料？但這是關(guān)于推動(dòng)材料的發(fā)展。在鐵基材料中，它涉及提高工具應(yīng)用等方面的耐用性和性能。在高溫鎳基高溫合金中，它正在研究下一代這些材料，并試圖對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。
Jacob Nuechterlein：我認(rèn)為我們將會(huì)看到大量不同的鋼材涌入并能夠打印鋼材。今天的鋼鐵打印真的很難。有幾個(gè)原因有待解決，但這需要弄清楚如何正確焊接這些不同的材料。而且不僅僅是焊接它們，而是以非常非常高的冷卻速率焊接它們以防止開裂或其他問題。汽車、工具、石油和天然氣等行業(yè)對(duì)鋁基，鈦基和鎳基高溫合金的使用較少。他們需要高性能鋼。許多這些打印機(jī)正由機(jī)械工程師或機(jī)械師使用，他們不一定非常了解材料的形成方式。你必須擁有與冶金、熱處理、產(chǎn)品成型以及在打印時(shí)形成不同相的真正相關(guān)的知識(shí)。
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