2019年，大眾汽車宣布將與吉凱恩（GKN）和惠普（HP）一起在HP Metal Jet系統(tǒng)上生產(chǎn)10,000個金屬零件，從而重申了對汽車金屬3D打印的承諾。

HP Metal Jet 系統(tǒng)是一種基于粘結劑噴射工藝的間接金屬3D打印設備。根據(jù)3D科學谷的市場觀察，吉凱恩正在與惠普合作，對Metal Jet系統(tǒng)和粘結劑噴射3D打印工藝進行優(yōu)化，優(yōu)化工作著眼于該技術的整個價值鏈，包括：優(yōu)化粘結劑噴射金屬粉末材料、面向該工藝的增材制造設計、打印工藝、粉末清除工藝，以及打印完成后的燒結工藝，并將完善基于該工藝的數(shù)字工作流程，為實現(xiàn)質(zhì)量可重復的零件生產(chǎn)提供支持。

由此，這種基于粘結劑噴射的間接金屬3D打印技術，正在向批量生產(chǎn)和工業(yè)化應用過渡。

優(yōu)化間接金屬3D打印的每一個環(huán)節(jié)

為增加零件密度而進行的粉末改性

如今，有兩種主要的生產(chǎn)增材制造用粉末的技術：

一種使用氣體霧化（ gas atomization）技術來產(chǎn)生具有良好鋪展性的高度球形粉末。這些粉末制造昂貴并且在可擴展性方面受到限制。另一種是使用水霧化（water atomization）技術生產(chǎn)粉末材料，這是一種經(jīng)濟高效且可擴展的過程，可產(chǎn)生更不規(guī)則的粉末顆粒。

吉凱恩與惠普合作，提出粉末混合物法和雙峰粉末分布法，來彌合氣體霧化粉末和水霧化粉末之間的差距。

粉末混合物法是將氣體和水霧化的粉末混合，從而增加粉末的流動性和生產(chǎn)率，同時降低成本；雙峰粉末分布法，是指將兩種尺寸的粉末結合在一起，由于較小的顆粒填充了較大顆粒之間的間隙，因此產(chǎn)生較高的堆積密度。

使用雙峰方法可以提高粘結劑噴射3D打印零件的生坯密度，從而能夠產(chǎn)生更高的燒結密度。如果粉末材料可以通過穩(wěn)定的工藝進行均勻鋪粉，則零件的密度將始終保持較高。

除此之外，在材料方面需要進行優(yōu)化的工作還包括豐富粘結劑噴射3D打印的金屬粉末，例如開發(fā)用于制造結構零部件的材料。

優(yōu)化設計

每種制造工藝都有其特殊的零件設計約束和設計準則，粘結劑噴射3D打印技術也不例外。吉凱恩正在積累面向這一3D打印技術的設計專業(yè)知識。當面對工業(yè)用戶時，重要的是讓他們意識到粘結劑噴射3D打印技術能夠為零件設計優(yōu)化所帶來的價值。

GKN 使用的HP Metal Jet設備能夠實現(xiàn)的零件壁厚在1.3-30毫米之間（上限是由于需要燒掉粘結劑）。由于使用了細致的粉末，該技術可實現(xiàn)的零件表面質(zhì)量達Rz（輪廓*大高度）45微米。該技術的公差等級為IT12-14，隨著技術的發(fā)展，這一數(shù)值將會降低。通過該技術制造的零件具有符合MPIF 35標準的機械性能。

3D打印生產(chǎn)率高達50倍

價值鏈的第三部分是打印過程本身。HP Metal Jet 3D打印技術是一種粘結劑工藝，在打印時，設備將一層金屬粉末鋪到打印床上，然后沉積粘合劑以形成零件的*層，然后重復此過程，直到創(chuàng)建完整的零件。

根據(jù)吉凱恩，Metal Jet工藝將產(chǎn)生高達50倍的生產(chǎn)率，適合進行的批量生產(chǎn)數(shù)量達50,000個。

自動化的粉末清除流程

價值鏈的下一步是清除打印粉末。迄今為止，大部分去除3D打印粉末的工作是手動的，但如果將粘結劑噴射3D打印技術投入到汽車零部件生產(chǎn)等領域中，用于生產(chǎn)成千上萬的零件，那么手動去除粉末就不是一種可持續(xù)的解決方案。

在這個環(huán)節(jié)中，吉凱恩認為可改善的空間是，實現(xiàn)自動化的粉末和零件處理。吉凱恩將與HP 合作開展這項優(yōu)化工作。

在燒結過程中進行全尺寸控制

吉凱恩是粉末冶金領域的制造商，燒結技術是其業(yè)務中的一部分。目前，吉凱恩有兩種燒結爐：間歇式爐和連續(xù)式爐。

間歇式爐具有許多優(yōu)點，包括材料的靈活性，良好的溫度和氣氛控制。連續(xù)爐也具有其優(yōu)勢，例如高生產(chǎn)率和良好的溫度控制。從工業(yè)化的角度來看，燒結工藝已經(jīng)很成熟，吉凱恩的熔爐符合汽車行業(yè)的標準并經(jīng)過驗證。

吉凱恩發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過燒結處理的粘結劑噴射金屬3D打印零件，在密度上高于金屬注射成型（MIM）零件，但在尺寸變化方面仍存在改進的空間，目前在構建和燒結過程中的尺寸變化率為2-3%，吉凱恩希望通過更強大的印刷和燒結工作流程達到與金屬注射成型相當?shù)某叽缇�度�?

工業(yè)化的催化劑-數(shù)字工作流程

3D打印技術作為一種典型的數(shù)字化制造技術，要實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的應用，離不開數(shù)字工作流程的支撐。在數(shù)字工作流程中，吉凱恩認為需要為運營建立起數(shù)字孿生系統(tǒng)，將從粉末生產(chǎn)到零件生產(chǎn)的全過程實現(xiàn)數(shù)字化，通過數(shù)字孿生技術，增強過程控制，并實現(xiàn)質(zhì)量完全可重復的打印過程。

吉凱恩已經(jīng)針對粉末床激光熔融3D打印工藝建立了數(shù)字孿生系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以產(chǎn)生許多協(xié)同作用, 實現(xiàn)從粉末生產(chǎn)到零件生產(chǎn)的全過程數(shù)字化。

3D科學谷Review

任何一項新制造技術的發(fā)展都離不開應用的土壤。而談到粘結劑噴射金屬3D打印技術在生產(chǎn)中的應用，我們可以把話題切回到大眾汽車與惠普、吉凱恩的合作上來，以汽車行業(yè)為例，看一下這一技術工業(yè)化應用前景。

大眾將分三個階段應用HP Metal Jet 3D打印技術。

*初，為了強化大眾對金屬3D打印的重視，大眾通過HP Metal Jet 3D打印系統(tǒng)生產(chǎn)其新型ID.3電動汽車的微型模型，用于市場宣傳目的。

接下來，是進行大規(guī)模定制和裝飾部件的制造，并計劃盡快將Metal Jet金屬3D打印的結構部件集成到下一代車輛中，并著眼于不斷增加的部件尺寸和技術要求。

未來的目標是每年制造5萬至10萬個的足球大小尺寸零件。這些3D打印組件可能包括變速桿和后視鏡支架等。增材制造將憑借其在輕量化方面的優(yōu)勢而在不斷增長的電動汽車的生產(chǎn)領域中獲得部署，惠普預計不久的未來將生產(chǎn)經(jīng)過完整安全認證過程的金屬零件。

通過2019年的3D打印機出貨量，也能夠看到間接金屬3D打印技術的發(fā)展。根據(jù)3D科學谷的合作伙伴CONTEXT, 2019年第二季度，金屬3D打印設備發(fā)貨量的前五名廠商(按照臺數(shù)）分別是：GE, EOS, Markforged，Desktop Metal, 德國通快。在2019年上半年，中國國內(nèi)市場上工業(yè)級打印機的出貨量尤其強勁，而Desktop Metal和Markforged等新型的間接金屬3D打印解決方案也受到了市場青睞。