洞悉双相钢3D打印对汽车增材制造的意义

　　为了实现汽车轻量化，高强度钢大量应用于汽车车身、底盘、悬架和转向零件上。其中，双相钢是以相变为基础的新型高强度钢，在微观组织上，双相钢是以较软的铁素体加硬相马氏体所构成。在力学性能上，同时具有高的强度和加工硬化指数、低屈强比的特点。双相钢能满足汽车多种结构件的使用，包括用作车身结构件-为结构复杂的冲压件以及非车身结构件-主要包括悬挂件、底盘和车轮等。
　　那么双相钢通过3D打印来加工是否具备汽车市场所需要的经济性？双相钢通过3D打印来加工对于汽车制造业来说意味着什么呢？
　　© GKN
　　掀起汽车结构件应用的一角
　　双相钢材料
　　l GKN
　　GKN用于增材制造的双相钢材料开发从一开始就与产业化的目的相结合，在IDAM联合项目成员亚琛工业大学数字制造DAP学院（ACAM研发联合体成员）、Fraunhofer ILT弗劳恩霍夫激光技术研究所（ACAM研发联合体成员）、慕尼黑工业大学金属成型和铸造学院、GKN粉末冶金，宝马集团等共同努力下，证明了DP 600双相钢在汽车市场上工业化的巨大潜力。这是一种双相钢，可以使用热处理方法调节其机械性能。
　　在IDAM项目中，GKN的DP 600双相钢气体雾化材料已在EOS M300-4系统上进行了验证，其伸长率达到13％（原样），达到22％（经热处理），拉伸强度达到700 MPA（经过热处理）。这些特性使得双相钢材料成为汽车及其他工业市场结构性件应用的理想选择。而通过将水雾化粉末用于未来应用，可以进一步降低零件成本。
　　凭借着，GKN的DP 600双相钢,汽车行业的制造商可以构造出跟传统钣金零件不同的车身部件。譬如拼焊板，许多钣金件和支撑件需要成型加工，并连接在一起获得一定的刚度。而增材制造结构件需要的工艺步骤和材料更少，从而优化了成本并减轻了重量。
　　l Sandvik
　　根据3D科学谷的市场观察，几十年来，山特维克一直在引领双相不锈钢材料的发展——不断推出新的双相和超级双相材料，这些材料具有更好的性能，是山特维克 DNA 中无可争议的一部分。
　　山特维克的超级双相不锈钢已成功用于高腐蚀性环境，例如暴露在海水中的海上能源部门，以及要求苛刻的化学加工。迄今为止，超级双相钢主要用于无缝管材、板材和棒材。
　　© Sandvik
　　不过双相不锈钢的3D打印是充满挑战的，通过近两个世纪的材料专业知识和增材制造价值链中行业领先的专有技术，山特维克是第一个向市场提供3D打印超级双相不锈钢组件的公司，而且3D打印的组件不仅符合而且优于几个传统制造的同类产品的标准。
　　根据3D科学谷的了解，凭借领先的材料技术，山特维克已经推出了一种＂重新发明的叶轮＂——一种更轻、更快、更高效的海上必需品，这是与能源巨头 Equinor 和挪威尤里卡泵公司合作开发的。现在，各种海洋领域的项目——其中超级双相不锈钢是首选材料——超级双相不锈钢和 3D 打印的颠覆性组合正在改变和重塑高端零件的制造方式与性能。
　　双相钢3D打印的工艺
　　用于不锈钢材料加工的金属3D打印工艺
　　© 3D科学谷（www.3dsciencevalley.com)《不锈钢3D打印白皮书》
　　l 金属领域的PBF技术（基于粉末床的选区金属熔化技术）
　　目前，从国际上AMPower(德国）, Context(英国）， 还是3D科学谷（中德）的市场研究数据来看，PBF基于粉末床的选区金属熔化技术是金属3D打印技术的主流技术，当然BJ粘结剂喷射技术由于其高效率为特征的优势正在高速发展中。
　　金属领域的PBF技术（基于粉末床的选区金属熔化技术）包括激光溶化和电子数熔化两种技术。根据GKN，在粉末床激光熔化（L-PBF）3D打印技术领域，有两种重要的商用钢材料：不锈钢和工具钢。这些材料以其高耐腐蚀性和高强度，满足工具制造和医疗器械制造的要求。
　　L-PBF激光熔化过程开始的时候先将一层金属粉末铺设到构建托盘上，然后通过能量源（激光或电子束）层层熔化金属粉末。
　　由于L-PBF可以成就结构复杂（包括带内冷结构的）的大尺寸零件，尤其是粉末床激光熔化（L-PBF）3D打印技术与双相钢的结合，为轻量化且结构坚固的车辆零部件生产带来了新的可能性。
　　用于激光选区金属熔化3D打印的双相钢材料© GKN
　　除了能源的消耗，PBF技术还受到了材料的限制和可加工尺寸限制、材料价格、过程中控制以及需要添加支撑结构等各种限制，这些因素成为制约PBF技术走向普及化的原因。当然，随着工艺的提升和通过软件对质量控制能力的提高，PBF技术也在不断地突破自身的局限性。
　　而PBF技术与双相钢3D打印的结合为制造用户带来开发全新的设计的可能性，如开发创成式设计的仿生力学结构，这是通过增材制造创造更高的制造业价值的奥秘之处。
　　l Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印
　　金属在3D打印领域，以Binder Jetting-粘结剂喷射金属3D打印技术为代表的间接金属3D打印以高速，低成本获得了业界的高度关注。
　　而根据GKN，GKN的DP 600双相钢适用于Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印。
　　用于BJ粘结剂喷射金属3D打印的双相钢材料© GKN
　　在Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印过程中，大致的工艺过程是：
　　首先用滚筒将一层细金属粉末铺展在构建板上。然后，喷墨打印头选择性地将粘结剂沉积到粉末上，将层粘结在一起。在创建每个层之后，构建板向下移动并且下一层粉末在前一层上铺展（典型的层厚度为50-100微米）。重复该过程直到在一定体积的粉末中产生完整的零件。处于3D打印状态的零部件被称为＂毛坯＂部件，因为它们在变得致密之前需要后处理（包括脱脂和烧结）。
　　金属粉末方面，Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术使用与金属注射成型（MIM）相同的精细金属粉末，这些细金属粉末的粒径约为5-45微米。粘结剂的化学技术是Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术区分其解决方案的领域之一。
　　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。
　　虽然Binder Jetting-粘结剂喷射金属3D打印技术存在着应对收缩和变形的挑战，目前这种技术加工出来的零件尺寸比PBF选区金属熔化技术加工出来的零件尺寸普遍偏小。然而BJ这种技术就生产效率而言，更贴合汽车行业对大批量制造效率和经济性的追求。而双相不锈钢用于Binder Jetting-粘结剂喷射金属3D打印技术将打开怎样的应用空间？值得关注！
　　开启更加轻量化的汽车制造赛道
　　当今的汽车制造商面临着提高电动汽车效率的需求。制造商已经从各个角度解决这个问题：减轻重量、创建更高效的动力传动系统、降低噪音。不过这个过程是不断迭代且永无止境的。
　　根据弗劳恩霍夫Fraunhofer ILT，新能源汽车设计迭代快，产量大小存在波动，新能源汽车制造商对于创新的生产理念的追求，使得新能源汽车的生产需要在灵活性和生产率之间取得平衡。在动荡的市场中，激光技术与数字化相结合是成本效益生产的重要推动因素。
　　根据3D科学谷，此前，在车身结构件方面，国际上包括Divergent开发了铝合金3D打印解决方案，随着双相钢的3D打印走向商业化，是否有更多创新型企业通过双相钢来实现结构件制造？
　　© Divergent
　　© Divergent
　　随着设备加工技术的提升，加之材料的配合以及价格的合理化，金属3D打印势必在产业化领域的道路越来越宽。而对于加工应用方来说，要迎接这样的技术浪潮，了解金属3D打印的冶金加工学就成为必修课。
　　3D科学谷围绕着金属3D打印材料发布了一些列的白皮书，包括：《铜金属3D打印白皮书》、《铝金属3D打印白皮书》、《3D打印高温合金白皮书》、《不锈钢3D打印白皮书》，关于不同的金属3D打印材料的发展趋势与应用前沿，请关注3D科学谷白皮书系列。
　　l 文章来源：3D科学谷内容团队
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