吉凱恩與惠普針對零件量產的需求，優化金屬3D打印完整價值鏈

2019年，大眾汽車宣布將與吉凱恩（GKN）和惠普（HP）一起在HP Metal Jet系統上生產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 系統是一種基于粘結劑噴射工藝的間接金屬3D打印設備。根據3D科學谷的市場觀察，吉凱恩正在與惠普合作，對Metal Jet系統和粘結劑噴射3D打印工藝進行優化，優化工作著眼于該技術的整個價值鏈，包括：優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字工作流程，為實現質量可重復的零件生產提供支持。

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

優化間接金屬3D打印的每一個環節

為增加零件密度而進行的粉末改性

如今，有兩種主要的生產增材制造用粉末的技術：

一種使用氣體霧化（ gas atomization）技術來產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）技術生產粉末材料，這是一種經濟高效且可擴展的過程，可產生更不規則的粉末顆粒。

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，從而能夠產生更高的燒結密度。如果粉末材料可以通過穩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，例如開發用于制造結構零部件的材料。

優化設計

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知識。當面對工業用戶時，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化所帶來的價值。

GKN 使用的HP Metal Jet設備能夠實現的零件壁厚在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，該技術可實現的零件表面質量達Rz（輪廓*大高度）45微米。該技術的公差等級為IT12-14，隨著技術的發展，這一數值將會降低。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，直到創建完整的零件。

根據吉凱恩，Metal Jet工藝將產生高達50倍的生產率，適合進行的批量生產數量達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等領域中，用于生產成千上萬的零件，那么手動去除粉末就不是一種可持續的解決方案。

在這個環節中，吉凱恩認為可改善的空間是，實現自動化的粉末和零件處理。吉凱恩將與HP 合作開展這項優化工作。

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，燒結技術是其業務中的一部分。目前，吉凱恩有兩種燒結爐：間歇式爐和連續式爐。

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

吉凱恩發現，經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的尺寸精度。

工業化的催化劑-數字工作流程

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

吉凱恩已經針對粉末床激光熔融3D打印工藝建立了數字孿生系統，該系統可以產生許多協同作用, 實現從粉末生產到零件生產的全過程數字化。

3D科學谷Review

任何一項新制造技術的發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，以汽車行業為例，看一下這一技術工業化應用前景。

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打印系統生產其新型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勢而在不斷增長的電動汽車的生產領域中獲得部署，惠普預計不久的未來將生產經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打印技術的發展。根據3D科學谷的合作伙伴CONTEXT, 2019年第二季度，金屬3D打印設備發貨量的前五名廠商(按照臺數）分別是：GE, EOS, Markforged，Desktop Metal, 德國通快。在2019年上半年，中國國內市場上工業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。

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