增材制造(3D打印)技術(shù)的出現(xiàn),成為了多個產(chǎn)業(yè)邁入轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵推手。以汽車制造為例,一方面,傳統(tǒng)大批量、單一品種的生產(chǎn)制造正在逐步向更柔性、更短開發(fā)周期的方向靠近,另一方面,面向高性能組件、“環(huán)?!彬?qū)動系統(tǒng)的加工也因此能夠輕松駕馭。
福特F150 皮卡(圖片來源:福特)
在過去,以激光光源為核心的3D打印工藝曾為福特汽車(Ford)制造出很棒的零件,但支撐架構(gòu)(以及需要通過后續(xù)步驟來去除這些架構(gòu))亦給他們帶來了很大挑戰(zhàn),生產(chǎn)效率也不盡如人意。
不過,粘結(jié)劑噴射3D打印卻為福特F150皮卡零部件的量產(chǎn)帶來福音,其成功之道在于鋁合金以及激光粉末床熔融(LPBF)的完美配合——粘結(jié)劑噴射生產(chǎn)的可重復(fù)性以及應(yīng)用燒結(jié)3D打印技術(shù)處理頗具挑戰(zhàn)性的鋁材6061。這也是福特公司與粘結(jié)劑噴射技術(shù)供應(yīng)商ExOne公司的工程師及材料科學(xué)家共同合作所取得的突破。
在過去,采用粘合劑噴射鋁材是一項不可能的任務(wù),但福特和金屬3D打印機(jī)全球領(lǐng)導(dǎo)者ExOne公司已經(jīng)率先成功實現(xiàn)了粘合劑噴射燒結(jié)鋁材6061。之前ExOne公司就在其材料路線圖中部署了鋁材開發(fā)項目,后來公司與福特達(dá)成一致意見,重新繪制路線圖,以加快這種材料的研發(fā)。
據(jù)介紹,整個研發(fā)持續(xù)了約一年半的時間。在此期間,福特組織了一個全力專注此項目的團(tuán)隊。這項技術(shù)的研發(fā)是遠(yuǎn)超3D打印范圍的,因為粘合劑噴射成功后還需要進(jìn)行后處理步驟。固化和燒結(jié)是決定零部件最終性能的關(guān)鍵工序。
“這就是我們目前看到的一項堪稱行業(yè)里程碑的技術(shù)成果——全球范圍首次通過粘結(jié)劑噴射鋁合金進(jìn)行3D打印量產(chǎn)。截至目前,應(yīng)用此技術(shù)量產(chǎn)的首個零部件仍在開發(fā)中。”福特汽車公司增材制造技術(shù)負(fù)責(zé)人Harold Sears如是說,“高速的3D打印鋁材技術(shù)為我們現(xiàn)在剛開始關(guān)注的其他商業(yè)領(lǐng)域鋪平了道路,因為我們可以制造復(fù)雜的鋁件了。這在以前是不可能的,它必將帶來其他商機(jī)?!?/p>
ExOne公司首席執(zhí)行官John Hartner隨后表示:“利用傳統(tǒng)材料性能,開發(fā)一種快速、經(jīng)濟(jì)、簡便的3D打印鋁材工藝,是實現(xiàn)更多產(chǎn)品輕量化以及實現(xiàn)更可持續(xù)未來的關(guān)鍵一步?!?/p>
可以預(yù)見,增材制造某款零部件的試制階段已經(jīng)過去,其現(xiàn)在正邁向量產(chǎn)階段。在這樣的趨勢影響下,整車制造商們與裝備制造商、材料以及工藝供應(yīng)商的深入合作有待獲得更進(jìn)一步的聯(lián)合。
面向更環(huán)保的發(fā)動機(jī),馬勒開設(shè)增材制造中心
汽車制造中嘗試增材制造在近些年尤為盛行,汽車零部件供應(yīng)商馬勒公司(Mahle GmbH)就在2020年與保時捷(Porsche)、通快(TRUMPF)合作開展了一個項目,從而在增材制造領(lǐng)域聲名鵲起。該項目使用激光金屬熔融技術(shù)(LMD)為保時捷911 GT2 RS高性能跑車生產(chǎn)鋁合金活塞。
據(jù)介紹,馬勒使用衍生式設(shè)計工藝開發(fā)了這種活塞,使用與傳統(tǒng)工藝相同的專用鋁合金材料,制造出的活塞比傳統(tǒng)鑄造工藝制成的活塞減重約20%。保時捷在911 GT2 TS賽車的引擎上安裝了6個活塞,并讓它運行了200個小時,其中135小時處于滿負(fù)荷狀態(tài)。
顯然,測試結(jié)果令人滿意,正如保時捷項目經(jīng)理Frank Ickinger所說,“從技術(shù)角度來說,這為我們開啟了新篇章,為設(shè)計和生產(chǎn)找到了新的可能性。”
需要說明的是,盡管在保時捷活塞應(yīng)用上取得了成功,但馬勒的工作重點并不是該公司的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)和零部件運營,而是熱管理、機(jī)電一體化和電子技術(shù)。這在他們隨后開設(shè)的增材制造中心設(shè)立的目標(biāo)上相一致——該增材制造中心在馬勒位于德國斯圖加特的總部,廠房占地面積約500平方米,目前有一臺SLM Solutions 280,其工作行程為280×280×365 mm。材料方面,工廠正在使用的是V2A和V4A鋼以及鋁合金。在人員配套方面,來自各個部門的專家團(tuán)隊,特別是模擬和材料專家將陸續(xù)進(jìn)駐。據(jù)悉,該增材制造中心將支持熱管理、機(jī)電一體化和電子技術(shù)的發(fā)展,以生產(chǎn)“更環(huán)保的發(fā)動機(jī)”。
馬勒公司董事會主席兼首席財務(wù)官Michael Frick表示,“對于汽車制造行業(yè)而言,新系統(tǒng)和新部件的開發(fā)速度必須比幾年前快得多,尤其是在涉及二氧化碳減排和驅(qū)動系統(tǒng)的解決方案時。有了新的3D打印中心,馬勒再一次加快了在戰(zhàn)略領(lǐng)域的步伐——例如在電動汽車領(lǐng)域?!?/p>
目前,新中心正在開發(fā)流程,使3D打印這項技術(shù)能夠基于汽車行業(yè)的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行工業(yè)系列生產(chǎn)。這為產(chǎn)品開發(fā)和制造帶來了全新的可能性,因為這些工藝可以用于生產(chǎn)傳統(tǒng)工藝無法制造的高性能組件。
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