投资世界领先且可持续的航空零部件卓越中心，吉凯恩航空航天公司加大了对可持续制造的承诺，对其位于瑞典的尖端增材制造技术投资了 5000 万英镑（约4.5亿人民币）。

3D打印发动机零件
© GKN

 制造的可持续性

据悉，瑞典能源署的 Industriklivet 计划将为此项投资提供 1200 万英镑（约1亿人民币）的资金，这将有助于通过减少高达80%的传统机加工过程中的材料浪费，通过彻底改变生产方法，获得制造的可持续性，该投资成果将于 2024 年晚些时候投入运营。
目前，飞机发动机部件依赖于大型铸件和锻件，高达 80% 的材料在达到最终形状之前被机械加工掉。通过采用增材技术（涉及使用金属线或粉末与激光融熔的逐层构造），吉凯恩航空航天公司可以最大程度地减少生产过程中的原材料浪费、能源使用和运输。这显着减少了排放、成本和交货时间。

航空颠覆性技术
© 3D科学谷白皮书

GKN（吉凯恩集团）是全球性的工程服务公司，包括航空航天、汽车传动系统、粉末冶金和地面特种车辆四大业务板块。近二十年来，吉凯恩航空航天公司一直处于增材制造领域的前沿，并在瑞典、英国和美国拥有重要的研究和技术中心。

  领先优势

根据3D科学谷的市场观察，GKN在L-PBF选区激光熔融，DED直接能量沉积增材制造，BJ粘结剂喷射金属3D打印方面有着积极的应用探索和技术积累，在双相钢材料开发和铜材料的3D打印方面积累了前沿探索的经验。

1.

L-PBF选区激光熔融方面，GKN参与了宝马汽车2019年启动历时3年的IDAM汽车增材制造工业化和数字化项目，宝马的IDAM项目建立了两条生产线，一条在GKN在波恩的工厂，另一条在宝马集团在慕尼黑的工厂。项目的设计目标是通过自动化将人工活动从35% 减少到5%，3D打印金属零件成本降低一半以上。

通过IDAM项目，两条模块化且几乎完全自动化的增材制造生产线得以建立。自动化物流小车集成在宝马增材制造生产线的设备之间，实现自动化运输3D打印机的移动成型仓。这些自动化设备由中央控制单元进行协调，生产线的各种生产数据在中央控制单元中交互，以确保最高的生产效率和质量。

3D打印宝马汽车零件
© GKN

2. DED直接能量沉积增材制造方面，GKN位于美国的全球技术中心 (GTC) 内用于钛金属加工的Cell 3直接能量沉积增材制造设备可实现 5 米长的增材制造零件，将增材制造的组件扩大到安全关键的航空和航天结构所需的尺寸。Cell 3 是GKN通过线材激光金属沉积 (LMD-w) 工艺突破大规模钛飞机结构增材制造界限的重要一环。

© GKN

二十年来，吉凯恩航空航天公司一直处于线材激光金属沉积 (LMD-w) 工艺应用的最前沿，2022 年，吉凯恩航空航天公司就推出了在 Cell 2 中开发的具有里程碑意义的 2.5 米钛结构。而Cell 3则能够使用 LMD-w 工艺开发 5 米钛金属部件。

3.
BJ粘结剂喷射金属3D打印方面，GKN 通过推动工业燃烧器混合器增材制造，同时推动金属粘结剂喷射或成为下一代产品生产技术。通过与Kueppers Solutions合作，GKN 增材制造通过3D打印技术生产混合器，进行工业燃烧器系统的升级，以此打开更大的市场。虽然第一阶段量产技术为粉末床选区激光熔化，但下一代混合器或将通过金属粘结剂喷射技术生产。

© GKN

4.
吉凯恩增材制造（GKN Additive）还率先将在汽车行业广泛使用的DP600双相钢材料应用在增材制造领域。随后，吉凯恩开发了增材制造金属粉末材料为DPLA（双相低合金）和FSLA(自由烧结低合金)，它们符合与DP600 (HCT600X/C) 类似的机械性能要求，例如，更高的极限抗拉强度 (UTS) 和低屈服强度与UTS的比率，分别用于粉末床选区激光熔化和粘结剂喷射两种增材制造工艺。通过增材制造技术可实现汽车和其他行业领域的多样化设计和应用。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

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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.ganjiayu.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束熔化两种技术。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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3D打印是Advance3制造中所采用的创新技术之一。3D打印可以将原本通过多个构件组合的零件进行一体化打印，实现了零件的整体化结构。

新的里程碑

近日，GKN航空航天公司为UltraFan™发动机提供了第一套中间压缩机壳，成为清洁天空2劳斯莱斯UltraFan™发动机演示程序的主要里程碑。

GKN航空航天公司是Clean Sky 2和劳斯莱斯领导的UltraFan™发动机演示程序中的核心合作伙伴，负责ICC的设计和制造。ICC是压缩机壳体之间的一种结构，该结构将转子气体负载传递到发动机壳体和推力安装座。

 全新的发动机核心架构

ICC的开发、制造和测试将展示和验证一系列新技术，包括低成本且坚固耐用的带有铸件的分段制造概念。这利用了基于计算机模拟的创新焊接方法。这其中的技术难点包括优化的排气系统中的空气动力学和声学性能设计；较短的主动风管设计和3D打印附件零件；和基于模型的设计方法。

UltraFan™采用了新的发动机核心架构，并采用了齿轮设计。目标是在2022年进行全面的发动机地面测试，随后进行飞行测试。

Clean Sky 2是欧洲最大的航空研究计划，旨在开发创新的尖端技术，以减少飞机产生的CO2排放和噪音水平。Clean Sky 2由欧盟的Horizon 2020计划和欧洲的航空业提供资金，有助于加强欧洲的航空业合作，全球领导地位和竞争力。

 罗罗的增材之路

根据3D科学谷的市场观察，早期的罗-罗发动机Trent XWB-97就采用了增材制造/3D打印部件，3D打印的镍金属结构件是一件直径1.5米、厚0.5米的前轴承座，含有48个翼面。而空客A350-1000用的是XWB-97发动机,XWB-97看起来非常像A350-900的XWB-84发动机，可产生97000磅的推力。提升的推力主要来自新型高温涡轮技术，结合了更新的发动机的核心技术以及更大风量的风扇来实现的。这一切的实现归根结底是使用了先进的空气动力学技术，以及3D打印零部件。

除了在核心机Advance 3中应用的3D打印技术，罗-罗在制造UltraFan®发动机时还应用了先进的全自动化制造技术以及数字双胞胎。根据3D科学谷市场观察，罗-罗在其复合材料卓越中心采用先进的全自动化制造技术制造UltraFan®发动机部件。该发动机中的叶片都是由机器人制造的，机器人构建大约500层碳纤维材料，然后施加热量和压力。每个叶片都有一个领先的钛金属边缘，为发动机提供极好的防异物和鸟撞保护。

UltraFan发动机的每个叶片中都配有数字双胞胎，即每个叶片都在计算机软件中有一个虚拟副本。在发动机测试期间，它们将收集大量数据，这些数据将被馈送到数字双胞胎中，供工程师预测每个叶片在服务中的性能。

l 文章来源：3D科学谷内容团队

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人工智能实现材料设计迭代

3D科学谷在《人工智能与材料技术成就超合金，揭示Fraunhofer的futureAM项目如何助力下一代飞机发动机》一文中，曾解释了Fraunhofer IWS的专家在futureAM下一代增材制造项目中通过“人工智能”（AI）和“机器学习”的先进方法来提升对加工过程的理解，由Fraunhofer IWS图像处理和数据管理工作组进行研究。通过人工智能，可以找到这些数据泛洪中的隐藏联系。

可以说通过人工智能替代大量枯燥的材料开发过程是一个既定趋势。

 挑战

航空领域的下一个关键里程碑是引入可持续发展的燃料，例如电池或者氢能源。未来的飞机设计将需要内部冷却和加热单元，而热交换器是非常必要的部分。

3D打印-增材制造可以实现非常复杂的热交换器，从而提高热交换性能。此外，热交换器是结构零件，材料必须要强度足够高。

这种高热传导性能、高强度又适合增材制造的组合，使得目前适合制造热交换器的材料并不多。所以，业界需要开发新的合金来满足这种热交换器的3D打印需求，并满足下一代燃料飞机的需求。

Ti-6Al-4V(Ti-64)是一种钛、铝、钒合金，这个材料被广泛的采用到3D打印-增材制造中，并且具有很高的机械性能和抗腐蚀性能，但是它的热传导性能相对较低，所以这种材料并没有被采纳为制造热交换器的材料。

不过，通过人工智能设计新型钛合金，Intellegens与GKN航空发现了新的可能。

Alchemite人工智能引擎

 解决方案

Intellegens通过Alchemite™人工智能引擎来与GKN航空分析钛合金材料数据。在这个开发过程中，供考虑了256种合金，供人工智能引擎分析，并推测出大约20种物理性能。

 优化轻量进行时

Alchemite™优化的目的是获得更高热传导和机械强度的材料。其中一个发现是有3%的钒，1.9%的钼，1.5%的铁和其他元素包括0.31%的钯，0.41%的钌,且不含铝。

这种材料被人工智能预测热传导率为18.4W/mK(误差范围为正负1.1)，并且极限抗拉强度为595MPa（误差范围为50.7)。

Alchemite™人工智能引擎几乎是在最大化热传导性能和抗拉强度的两个方向上寻找到了最佳组合。

GKN航空的专家确认了由于新材料组合中含有高含量的钯金属，这可能会限制前在的应用前景。通过Alchemite™人工智能引擎可以调整如何降低钯金属的含量，而不需要大量的真实的材料配比实验。真实的配比不仅耗费时间，且很昂贵。

不过钯金属的含量不适宜降到最低为零的程度，在这种情况下，热交换的性能表现会很糟糕。钯金属的作用是提升了热交换性能，这也显示了在其他的合金组合中，钯金属可以作为提升热交换性能的关键元素来添加。

通过Alchemite™人工智能引擎可以将通常需要2年的材料开发设计过程缩短为3个月。下一步，这个项目可以延伸为将铜、镍、铝合金作为研究对象，通过调整金属元素的组合，来开发适合性能要求的热交换器。通过Alchemite™人工智能引擎可以将开发过程可视化，持续性的获得开发进展。

3D科学谷Review

通过3D打印技术可以帮助实现更具成本效益的高性能材料，而根据3D科学谷的市场了解，人工智能将发挥决定性的开发作用。

正如人工智能在药物领域的作用，一款新药从开始研发到临床试验再到投入市场，通常需要10-15年；随着数字经济时代的到来，大数据、人工智能等技术的应用，将大大缩短药物研发时间，提升效率和质量。在制药行业，人们有兴趣实施AI驱动的解决方案以发现新药并加快将其推向市场的速度。食品和药物管理局进一步推动了这种兴趣，促进将基于AI的技术用于药物开发的创新。总体来说，AI和机器学习旨在改变药物发现过程，从而降低财务成本和上市时间。

同样的事情，将发生在3D打印领域的材料开发方面，人工智能将在两个维度上发挥作用：降低材料开发的财务成本和开发周期。

除了单一材料的开发，正如Fraunhofer在futureAM项目中的发现，通常采用单一材料设计飞机发动机整个组件不是很有效，因为组件不会在所有点上都受到相同的热量。最好只在温度很高的地方使用昂贵的高电阻材料，在其他地区，使用较便宜的材料就足够了。这正是增材制造系统可以实现的，一旦人工智能学会了加工所需的超合金，下一步是将各种高性能材料整合到一个组件中。

而此前，3D科学谷通过《减少15年的努力，人工智能设计金属3D打印的新合金》一文，揭示了Intellegens的Alchemite™深度学习算法设计的另外一款新合金，这款新合金是通过定向能量沉积（DED）金属3D打印工艺进行制造的，该合金可满足增材制造所需的性能目标，用于制造喷气发动机零部件。

全世界有数以百万计的商业材料，其特点是数百种不同的特性。使用传统技术探索我们对这些材料所了解的信息，提出新的物质，基质和系统，是一个艰苦的过程，可能需要数月甚至数年。通过了解现有材料数据中的基础相关性，估算缺失的属性，人工智能可以快速，高效，准确地提出具有目标属性的新材料 – 从而加快开发过程。

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KitkAdd项目已于2020年3月正式结束。本期，3D科学谷将借助项目成员吉凯恩粉末冶金通过混合制造工艺所开展的齿轮制造案例，揭示 KitkAdd 项目所探索的混合制造工艺在复杂工业零件制造领域的潜力。

两种工艺，更多优势

吉凯恩粉末冶金公司KitkAdd 项目组在进行零件制造时采用的混合制造工艺包括增材制造与压制烧结。项目组充分利用两种工艺的优势，如利用增材制造技术实现零件中的复杂结构，并结合使用压制烧结工艺降低整体成本、提高精度。

齿轮设计与生产项目是对KitkAdd 项目混合制造工艺的验证。在该案例中，项目团队只通过增材制造技术来制造能够为零件带来附加价值的部分，然后使用压制烧结工艺完成剩余部分。增材制造技术的应用价值是，通过面向增材制造的设计（DfAM）优化零件的噪声、振动和粗糙度（NVH）性能。

齿轮项目基本步骤

• 开发混合制造工艺；
• 用增材制造思维设计零件，利用增材制造技术的优势；
• 进行工艺链和成本分析，对比分析混合制造工艺与增材制造工艺、传统制造工艺。

 三种增材制造设计方式

通过混合工艺制造的齿轮分为3个模块，模块2（Modul2）为增材制造组件。来源：GKN

如上图所示，齿轮样件包含3个模块，模块2 为通过增材制造思维设计的部分，目的是实现降噪。

增材制造-3D打印的模块2 有三种不同的设计思路。如下图所示，第一个设计思路中（左1），该模块是完全使用增材制造技术制造的；第二个设计（中间）与第一个不同之处是，在边缘的空洞中集成了内部支撑杆，其作用是分配噪声并将其分解为许多较小的声波；在第三个设计中（右1），边缘处的孔洞中将被插入填充有金属粉末的3D打印胶囊，这种设计思路的目的是抑制声波并降低噪声。最终，项目团队在后两种设计中看到了更高的阻尼比。

三种不同增材制造设计方式的阻尼行为，第二种设计使得阻尼比增加了一倍，第三种的阻尼比则是第一种的5倍。来源：GKN

在完成模块2 的增材制造之后，3D打印零件（模块2）被放入粉末压机中，由压制烧结工艺制造齿轮的外部结构（ 模块3）。没有使用增材制造，而是使用压制烧结工艺制造模块3的好处是可以提高精度，并且所需要的后处理更少。对于整个齿轮的制造而言，将两种工艺相结合，仅在具有高附加值的部分应用增材制造技术，而其余部分进行压制与烧结，获得硬化与完全致密的零件，所需的整体制造时间更少，成本更低。根据3D科学谷的了解，吉凯恩在这种情况下能够将成本降低3倍。

 材料与设计的关键挑战

在齿轮案例中，开发混合制造工艺的挑战之一是在3D打印组件和粉末冶金组件之间找到最佳连接。根据3D科学谷的了解，项目团队使用的增材制造材料是20MnCr5，粉末冶金材料是Ancorloy 4，因为这两种材料具有相似的硬化性能。但尽管如此，项目团队仍想发现是否存在将两个组件结合在一起的最佳方法。

Ancorloy 4 材料典型分析与性质。来源：GKN

在这项研究中，他们尝试使用铜箔和铜浆粘合剂来连接零件，但是发现最好的结果是不使用任何粘合材料。通过调整压制工艺参数，项目团队获得的结果超过了初始要求，通过旋转负载测试测得的结果超过了1,000 牛米，而初始要求是150 牛米。

项目组为实现增材制造组件与粉末冶金组件而尝试了不同策略，优化压制工艺对改善两种组件的结合具有最好的效果。左边两种策略在连接两种组件时没有使用任何粘合剂，右边两种策略分别使用了铜箔与粘合剂。来源：GKN

该项目在设计阶段提出了另一个关键挑战：除了通过增材制造设计思维实现齿轮的NVH性能优化之外，项目组还需要考虑怎样使增材制造组件能够承受冲压过程。为此，项目组使用了拓扑优化来生成可以承受压力机的高压而不会变形的设计。

 更具成本效益

吉凯恩粉末冶金项目组针对KitkAdd项目所探索的混合制造工艺为粉末床熔化金属增材制造与压制烧结工艺相结合的工艺。吉凯恩在粉末冶金领域处于领先地位，每天生产超过1300万个烧结零件。KitkAdd项目中的其他成员则负责探索不同的混合制造工艺，如西门子将铸造与增材制造相结合，优化涡轮机叶轮。但无论哪种方式，目标都是相同的，即通过高质量、高产量的生产方法将复杂结构与附加值结合起来。

吉凯恩在齿轮设计与制造中所使用的混合制造工艺能够将增材制造的性能优势和更高成本效益相结合。吉凯恩与卡尔斯鲁厄技术学院（KIT）合作对这一工艺进行了成本效益分析，结果表明，与仅采用增材制造技术的方法相比，混合工艺可以实现具有成本效益的金属零件批量生产。

工艺成本和交货时间的对比分析图。项目组通过仿真确定每种混合制造方法的单位成本和交货时间，与单纯使用增材制造工艺相比，节省多达70％的成本是可行的。来源：GKN

目前，KitkAdd项目已正式结束，吉凯恩粉末冶金团队将开发更多能够受益于这一混合制造工艺的工业应用。总体而言，工业用户在混合制造工艺中的受益之处将是在保持成本和生产时间可控的情况下，利用增材制造技术提升零部件性能，获得附加价值。

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传统方式制造的电感应器仍存在制造痛点。一般来说电感应器中的电感线圈需要经历若干机械制造工序，线圈通过手动弯曲和焊接达到想要的形状，其中小块铜（管）被放在一起并焊接。焊接是一个耗时的过程并且导致大量的生产成本产生。并且焊接点都会破坏电流并导致性能下降。电感器的效率不仅受焊接接头的影响，而且还受到电感器几何形状的限制。

在此背景下，增材制造-3D打印铜电感器线圈成为实现铜电感线圈设计与制造优化升级的新方式。但作为一种在工业领域进行应用的复杂组件，3D打印铜电感器线圈的质量与性能是否能够满足工业要求是应用领域最为关注的话题。

GKN 增材制造部门与3D打印铜电感线圈用户开展的仿真分析与测试实验结果，对于3D打印铜电感器线圈在工业中的应用具有参考意义。3D科学谷在《上篇-3D打印铜电感器线圈仿真分析与用户实测》分享了仿真分析部分，本期将分享下篇-GKN 工业用户开展的3D打印铜电感线圈测试实验结果。

 尺寸精度与水流量得到改进

GKN 工业领域的客户对3D打印铜电感线圈进行了实验测试。在测试中，一家主要的汽车供应商比较3D打印和传统方法生产的两种感应线圈。在第一个实验中，测试对象包括一个3D打印标准环形感应线圈，用于对比传统研磨和焊接方法制成的环形线圈。在第二个测试中，测试对象是小尺寸的3D打印发夹式线圈与传统工艺制造的发夹式线圈。

分析感应线圈的几何质量
通过简单查看传统线圈与3D打印线圈已可以看出明显差异。根据GKN，与传统线圈相比，3D打印环形感应线圈和发夹线圈均显示出卓越的尺寸保真度和公差，同时还消除了任何焊接需求。

线圈侧视图：左图为传统工艺制造的线圈（与直线形状的偏差较大），右图为3D打印的线圈。
来源：GKN

线圈前视图：左图为传统工艺制造的线圈，右图为3D打印的线圈。
来源：GKN

 高效的水流性能

在性能方面，3D打印铜线圈的更高尺寸精度可改善水流。

在第一个实验中的两种环形线圈中，3D打印线圈的盘管比传统工艺制造的环形盘管水流性能略有提高。

直径为8毫米的发夹线圈：左图为传统工艺制造的线圈，最大水流量为2升 / 分；右图为3D打印线圈，水流量为7升 / 分。
来源：GKN

在第二个实验中的两种发夹式线圈中，3D打印线圈的水流量为 6-7升 / 分，而传统线圈的水流量为2升 / 分。发夹式线圈具有难以使用传统制造制造的复杂结构，通过增材制造可以精确实现设计的几何形状，并且盘管的总体水流性能显著提高。

GKN 制造的3D打印铜电感器线圈公差符合ISO 2768 mK级标准。3D打印铜电感器线圈的固定板等功能区域需要机加工。

 线圈在硬化过程中的行为

在进行尺寸精度和公差比较之后，GKN 的工业用户对四个铜线圈进行了硬化处理，并评估了它们的行为差异。总体来看，3D打印线圈和常规线圈都表现出相似的硬化行为。例如，两个环形线圈均产生相似宽度的硬化轮廓。但是，3D打印线圈确实具有更均匀的硬化轮廓。

仔细观察两个环形线圈的硬化行为，可以看到常规线圈的硬度在端部略高。但通过调整淬火机的参数，就可以针对3D打印线圈矫正偏差。

左侧常规线圈与3D打印线圈硬化轮廓显示出相似的硬化宽度。
来源：GKN

在距表面不同距离处测得的硬度值表明，3D打印环形线圈具有与传统线圈非常相似的硬化曲线，硬度仅有微小的偏差。
来源：GKN

在低能耗的应用实验中，测试用户发现了温度之间略有偏差。实验人员通过分析来确定确定这是由功耗、能量值还是感应电压值引起的，但未发现明显差异。但他们在谐振电路的电流消耗和频率中发现了偏差。
图表显示了传统环形感应线和3D打印环形感应线圈在不同频率和能量水平下的硬化行为差异。
来源：GKN

当比较两个发式线圈的硬化行为时，传统线圈表现出更大的硬化深度和更高的对称度。这与常规线圈中集中器材料的数量有关，该数量高于3D打印的发夹线圈。

直径为8mm的发夹线圈，左图为传统发夹式线圈，右图为3D打印发夹式线圈。
来源：GKN

但如上图，对于具有挑战性的直径为8mm的发夹线圈几何形状，左侧传统发夹式线圈无法实现与右侧3D打印线圈相同的尺寸质量和对称性。

硬化过程中线圈形状的不对称还导致高度的不对称轮廓。必须指出的是，这种不对称是由于3D打印线圈的原始设计文件的形状略有不对称而发生的。零件的旋转可使结果均匀化。

由于常规线圈在硬化测试完成之前就被破坏了，所以结果尚无定论，但3D打印铜线圈完成了测试，并最终证明了3D打印铜线圈能够与常规纯铜线圈的硬化结果相匹配，展示了3D打印线圈可以承受很高的温度，并且在高能应用方面优于常规线圈。线圈在一个周期内以不同的功率水平被加热，表明它对较高的能量输入反应良好，可以达到较高的温度。

 总结

总体而言，感应线圈测试实验证明，在某些参数上通过CuCr1Zr 铜合金制造3D打印线圈显示了在尺寸精度和水流量方面的改进，表明3D打印线圈比常规线圈更可预测和更一致。

测试中确实发生的偏差不是3D打印线圈本身导致的，而是其设计和硬化机参数的结果，这两个因素相对易于通过调整来得到改善。

此外，通过完全重新设计感应线圈，可以进一步利用增材制造的优势。例如，可以将铜线圈定制为独特的应用，从而获得卓越的性能和更低的能耗。

—全篇完—

了解铜合金、纯铜增材制造中所应用的3D打印技术，铜金属3D打印存在的技术难点，铜金属3D打印材料和工艺的发展情况，铜增材制造的应用前景，典型专利，及其供应链，请前往《铜金属3D打印白皮书1.0》。

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IDAM计划至今已经进展了一半，本期，3D科学谷与谷友一起就合作计划中成员单位之一GKN的进展来了解下IDAM的项目状况。

宝马量产的3D打印汽车零件

 汽车产业化，3D打印破局突围之路

这项耗资2000万欧元的计划部分由德国联邦教育与研究部（BMBF）资助，并聚集了12个合作伙伴：亚琛工业大学数字制造DAP学院、Fraunhofer ILT弗劳恩霍夫激光技术研究所、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，Aconity（美铝分拆出来的增材制造业务），Concept Reply，Myrenne，Intec，Kinexon Industries，Volkmann，Schmitz Spezialmaschinenbau。

每个合作伙伴都在其特定的专业知识领域做出贡献，以帮助建立一条全自动的，产业化的增材制造试点生产线。IDAM的目标是建立两条试验线，一条在GKN在波恩的工厂，另一条在宝马集团在慕尼黑的工厂。

宝马汽车慕尼黑3D打印园区内的产品开发。来源：宝马汽车

 模块化生产线

IDAM团队正在将增材制造技术向符合特定要求的方向努力，以生产质量一致的零件以及基于特定组件的个别备品备件。目标是每年3D打印至少50,000个批量生产的零部件和10,000多个零件和备件。IDAM试生产线包含一个开放式体系结构，该体系结构可适用于任何LPBF系统（选区激光金属熔化3D打印技术）。

GKN粉末冶金是IDAM联盟的重要成员，也是德国波恩工厂两条试点生产线之一的主办方。GKN利用其在常规粉末冶金系列生产中的广泛知识以及在金属增材制造方面的经验来创建工业化、自动化的工厂设置。

IDAM中的模块化方法还可以使GKN产品组合中的其他增材制造技术（例如金属粘结剂喷射）实现数字化连接并从新的开发中受益。在IDAM项目的框架内，GKN充当了各个项目成员之间的关键桥梁，将过程开发的概念从学术方面转变为以应用为中心的策略。GKN和宝马还提供了对资格认证过程的重要见解，并为正在开发试线模块的中小型企业提供支持。

宝马汽车慕尼黑3D打印园区通过VR进行生产规划。来源：宝马汽车

目前，IDAM项目处于检查中试线模块概念的阶段，准备在2021年初验收其余模块，目前还有大约有一年的时间来测试和验证。换句话说，数字架构已接近尾声，由于生产线的模块化结构，必要时可以升级换代，各个模块可以适应不同的生产要求，此外，可以灵活地控制工艺步骤。通过综合考虑融入汽车生产线的要求，项目合作伙伴计划将流程链中的手工部分从目前的约35％减少到不到5％。与此同时，3D打印金属零部件的单位成本应该减半。

 建立数字架构

在过去的一年中，要解决的最关键问题是创建数字架构，包括数字标准和AM过程链的IoT连接概述。覆盖整个增材制造过程的数字架构对于确保增材制造过程链模块之间的通信以及实现批量生产所需的可靠性至关重要。

适应数字体系结构的最大障碍之一是为各种LPBF系统（选区激光金属熔化3D打印技术）创建一个全面的解决方案，这些系统在与流程链的接口上都各不相同。

GKN工厂内的EOS设备。来源：GKN

市场上LPBF系统（选区激光金属熔化3D打印技术）的多样性使实现可靠且灵活的接口变得非常困难。GKN当前正在验证最近购买的EOS M300-4四激光系统，测试多激光曝光策略，并提高系统的生产率。目前，新的金属增材制造系统已于2020年5月在公司的波恩工厂安装。

 DP600钢的工业潜力

随着IDAM项目接近一半的进展，最显着的进步之一是GKN对金属粉末材料的鉴定，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。

DP 600双相钢气体雾化材料目前已在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。

 科研为IDAM项目护航

值得一提的是IDAM联盟中两家重量级成员：亚琛工业大学数字制造DAP学院、Fraunhofer ILT弗劳恩霍夫激光技术研究所。从1995年开始，亚琛的Fraunhofer就一直在推动增材制造突破界限，从混合制造，到选区激光熔化技术SLM的专利诞生，到模具应用开发、植入物应用开发等等，亚琛这里聚集了技术与应用两条主线的前沿发展趋势。

视频：ACAM为复杂的增材制造导航

视频中ACAM的两位直接领导人Schleifenbaum教授来自亚琛工业大学DAP学院，Arntz博士来自Fraunhofer IPT

在2015年，以Fraunhofer ILT, Fraunhofer IPT，亚琛工业大学为基础的ACAM成立，通过ACAM聚集亚琛的资源以及应用端的需求，从而进一步推动行业发展。目前有超过100多名科研人员从事增材制造的科研，解锁增材制造复杂奥秘，ACAM集中亚琛的优势资源推动增材制造认证、联合研发、培训教育、产业孵化等多方面的发展。

而ACAM所在的亚琛园区已经建设为欧洲5G工业园区，于2020年5月12日启动了5G网络，通过将近1平方公里的面积，19根5G天线和每秒10G比特的带宽，德国亚琛园区运行着欧洲最大的5G研究网络。5G为制造业带来的革新价值是Networked, Adaptive Production-网络化自适应生产。从自适应生产的目标出发，欧洲5G园区的研发模块包括：用于监视和控制高度复杂制造过程的5G无线传感器，制造自适应：分布式制造控制与干预，区块链，边缘云计算，数字孪生体技术等。

在亚琛，基于5G网络，研究人员已经针对叶片的增材和减材制造和维修过程（例如铣削和激光金属沉积金属3D打印技术（LMD））建立过程仿真和过程链的重新配置。通过在过程中详细记录实际数据，可以通过优化的计划工具使数据一致性并确保计划的透明性。

随着3D打印进入到主流生产技术范畴，与其他传统加工工艺的无缝结合，数字化、自动化、自适应，将成为研究人员推动行业发展的开发方向与研究课题主线。

关于IDAM项目的更多进展，3D科学谷将保持持续关注。

了解3D打印在汽车领域的应用与发展趋势，请前往《上篇-《3D打印与新能源汽车白皮书》》《下篇-《3D打印与新能源汽车白皮书》

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传统方式制造的电感应器仍存在制造痛点。一般来说电感应器中的电感线圈需要经历若干机械制造工序，线圈通过手动弯曲和焊接达到想要的形状，其中小块铜（管）被放在一起并焊接。焊接是一个耗时的过程并且导致大量的生产成本产生。并且焊接点都会破坏电流并导致性能下降。电感器的效率不仅受焊接接头的影响，而且还受到电感器几何形状的限制。

3D科学谷即将分享的GKN 增材制造部门与3D打印铜电感线圈用户开展的仿真分析与测试实验结果，对于3D打印铜电感器线圈在工业中的应用具有参考意义。本期的内容为上篇-3D打印铜电感器线圈的仿真分析。传统电感器线圈与3D打印铜电感器线圈实验测试以及分析结果将在下篇进行分享。

 更高耐用性

热处理提升电导率

纯铜材料具有高导电性，但对粉末床激光熔化增材制造提出了挑战。纯铜的高反射率导致该材料难以通过基于红外激光的金属3D打印技术进行制造。GKN 针对粉末床激光熔化3D打印技术开发了CuCr1Zr铜合金粉末，在高导电率和粉末床激光熔化增材制造工艺的适应性上做出平衡。

CuCr1Zr材料机械性能概述，从左到右依次为增材制造CuCr1Zr，增材制造与热处理的CuCr1Zr，纯铜。来源：GKN

根据GKN 增材制造提供的数据，CuCr1Zr 材料的强度优于纯铜。就电导率而言，CuCr1Zr铜合金的导电率是纯铜的23％，但是在完成3D打印后，对3D打印零件进行热处理，则能够实现更高的导电率。GKN 对其3D打印铜电感器线圈进行热处理后，能够达到纯铜电导率的90％。

与纯铜的电导率相比，经热处理的CuCr1Zr的电导率约为90％。来源：GKN

面向增材制造的设计提升性能

在设计3D打印线圈时，GKN 考虑了粉末床激光熔化技术所产生的几何形状和设计自由度如何提高材料的特性，从而在性能、耐用性、效率和成本方面，比传统工艺制造的纯铜线圈（焊接或弯曲）更具优势。

他们将其中一个3D打印的铜线圈与手工弯曲的纯铜线圈进行了感应淬火仿真分析，展示了3D打印铜电感器线圈获得更好结果的多种方式。实验中对两种感应线圈版本都保持相同的边界条件、磁激励和仿真频率。如下图所示，仅看设计外观可以看到两种设计的明显区别，传统线圈为圆形管结构，3D打印线圈为方形管结构。

传统纯铜线圈（左），3D打印铜合金线圈(右)。来源：GKN

3D打印线圈的几何形状能够对性能做出许多改善。首先，集成空心方形线圈增加了冷却面积，从而延长了线圈的使用寿命并降低了能耗。传统弯曲的线圈需要的电流值为1,454A，而3D打印的线圈仅需要的电流为1,333A。

在此样本中，由增材制造线圈激发产生的磁场比常规线圈产生的磁场更具穿透性。增材制造线圈硬化层的厚度大于常规线圈的硬化层。（边界条件和负载：f = 100kHz，相同的磁激励）。来源：GKN

该仿真结果表明，与常规线圈相比3D打印铜线圈的励磁磁场穿透得更深，这种更深的磁激励意味着硬化层的厚度也增加。

如果通过3D打印技术制造传统设计，则线圈的性能可能不符合传统线圈的标准，但是通过面向增材制造的设计，3D打印线圈可以实现性能的提升。

可重复性和更高使用寿命

作为一种工业应用产品，3D打印铜电感器线圈需要符合公差要求，增材制造工艺需能够实现质量可重复性。

电感器的磁场完全适合增材制造组件。来源：GKN

GKN 通过先进的测试证明，3D打印铜合金可以实现按照ISO 2768 mK级公差并且具有RZ <40微米的表面粗糙度。

GKN 开发了从材料、先进设计、打印、质量控制的完整3D打印铜线圈增材制造工艺，并结合ADDvantage生产软件，来实现质量的可重复性。这一数字化的制造方式表现出色比传统焊接、弯曲工艺更高的重复性。与焊接线圈相比3D打印线圈的耐用性至少是弯曲线圈的两倍，这是因为整个结构的壁厚是一致的，而弯曲线圈则显示出弱点和弯曲处较薄的壁厚。

—上篇完—

下篇将分享传统电感器线圈与3D打印铜电感器线圈实验测试以及分析结果。

了解铜合金、纯铜增材制造中所应用的3D打印技术，铜金属3D打印存在的技术难点，铜金属3D打印材料和工艺的发展情况，铜增材制造的应用前景，典型专利，及其供应链，请前往《铜金属3D打印白皮书1.0》。

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根据3D科学谷的市场研究，GKN根据粉末床激光熔化（L-PBF) 增材制造技术的特点，开发了3D打印合金钢材料20MnCr5。这款材料能够承受高磨损和负载，并结合3D打印所实现的功能集成进一步减轻重量，应用方向为更高设计自由度、更高效、更集成的动力系统零部件制造。

早在2018年, 吉凯恩与保时捷就利用该材料, 开发增材制造的电子驱动动力总成零部件。近日，吉凯恩揭示了20MnCr5 材料的力学性能，以及双方在前横向变速器零件-差速器壳体增材制造设计迭代中的更多细节。

 轻量化 – 坚固、耐磨

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，但是市场上成本适中，具有由性能驱动的机械特性，并且有高耐磨性和疲劳强度的钢基3D打印材料仍非常有限。

公称密度和名义成分下的典型性能。来源：GKN

GKN开发了可满足汽车行业要求的20MnCr5合金钢材料，20MnCr5合金钢是一种中等强度的钢，可以进行表面硬化处理，通常被认为是表面硬化齿轮的基准材料之一。这种合金钢材料用于粉末床激光熔化3D打印工艺，具有适中的材料成本，强度高且具韧性，具有高疲劳强度，可以通过表面硬化实现优异的耐磨性。

用于L-PBF3D打印工艺的20MnCr5粉末SEM图像。来源：GKN

该材料的应用方向包括制造应力高且耐磨的齿轮和关节零件、主轴、齿轮与其他机械零件。

20MnCr5 材料对于汽车行业来说打开了增材制造的新空间，汽车行业首先可以通过这种材料进行原型制造，然后确认是否可扩展到大规模生产应用。通过3D打印制造的零件允许工程师在几周内完成设计验证，并进入到下一轮的设计迭代周期中。

在进行20MnCr5材料生产的过程中，内部应力可能导致零件变形，但通过特定的热处理，可以减少内部应力。

增材制造测试齿轮的热处理和初始齿根疲劳测试。来源：GKN

如硬化曲线所示，增材制造齿轮达到了齿面所需的淬火深度，但齿面截面却显示出较低的值。上图显示，增材制造齿轮的核心硬度比16MnCr5锻钢参考齿轮低约90 HV。初步测试结果表明，增材制造的低压渗碳齿轮具有满足当前16MnCr5中钢质量水平的潜力。

为了验证粉末和3D打印技术的潜力，GKN和保时捷将20MnCr5 3D打印材料用于制造前置横向变速箱。为了获得最佳效益，他们使用3D打印技术制造重量减轻潜力最大的部件 – 带齿圈的差速器壳体。

在传统的变速器中，齿圈和差速器壳在变速器内发挥不同的功能。齿圈由特殊钢制成，然后进行硬化和磨削以确保精度。差速器壳体通常是铸造的，用于将扭矩从环形齿轮传递到中心螺栓和锥齿轮。

由于制造工艺和组装方法的原因，宽齿圈齿由薄且有时偏心的圆盘支撑，圆盘连接到差速器壳。设计师对差速器壳体进行了拓扑优化，并定义了变速器内的最大可用空间，去掉了锥齿轮，侧轴，轴承等所需的所有内部轮廓（图b）。

a）前横向变速箱的常规差速器， b）差速器的封装模型。来源：GKN

根据变速箱的规格和要求，所有载荷（轴承和齿轮）都施加到了封装块上。CAD优化工具提供了一种能够承受所有所需载荷的结构。最终的结构是基于增材制造为设计带来的自由度所设计的，无法使用常规制造技术生产，而增材制造技术则可能产生接近计算结构的产品。

a）结构优化的差速器，b）差速器的内部结构，c）差速器的有限元结果。来源：GKN

内部形状仅由对结构完整性必不可少的有机梁和结构系统支撑，而这些形状无法用传统方法加工。虽然粉末床激光熔化3D打印技术释放了传统技术对于设计的限制，但是该技术仍存在一些特有的设计限制，比如说需要考虑如何在3D打印完成后排出未熔融的粉末材料，而这一步需要在开展增材制造零部件设计时就进行规划。

最终的有限元分析显示出非常均匀的应力水平，并允许壁厚降低。由于受到设备的限制，这在以前是无法实现的。

根据原始负荷要求，计算表明可以达到以下目标：

• 减轻13％的重量（约一公斤）
• 径向硬度变化减少43％
• 切线方向上的齿刚度变化降低了69％
• 惯性降低8％

根据GKN，粉末床激光熔化3D打印技术与20MnCr5材料一起使用，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。随着金属增材制造继续发展并成为主流工艺，该应用不仅可以扩展到原型或赛车零部件领域，还可以扩展到批量生产。

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HP Metal Jet 系统是一种基于粘结剂喷射工艺的间接金属3D打印设备。根据3D科学谷的市场观察，吉凯恩正在与惠普合作，对Metal Jet系统和粘结剂喷射3D打印工艺进行优化，优化工作着眼于该技术的整个价值链，包括：优化粘结剂喷射金属粉末材料、面向该工艺的增材制造设计、打印工艺、粉末清除工艺，以及打印完成后的烧结工艺，并将完善基于该工艺的数字工作流程，为实现质量可重复的零件生产提供支持。

由此，这种基于粘结剂喷射的间接金属3D打印技术，正在向批量生产和工业化应用过渡。

粘结剂喷射金属3D打印技术完整价值链。来源：GKN Powder Metallurgy

 优化间接金属3D打印的每一个环节

I 为增加零件密度而进行的粉末改性

如今，有两种主要的生产增材制造用粉末的技术：

一种使用气体雾化（ gas atomization）技术来产生具有良好铺展性的高度球形粉末。这些粉末制造昂贵并且在可扩展性方面受到限制。另一种是使用水雾化（water atomization）技术生产粉末材料，这是一种经济高效且可扩展的过程，可产生更不规则的粉末颗粒。

来源：GKN Powder Metallurgy

吉凯恩与惠普合作，提出粉末混合物法和双峰粉末分布法，来弥合气体雾化粉末和水雾化粉末之间的差距。

粉末混合物法是将气体和水雾化的粉末混合，从而增加粉末的流动性和生产率，同时降低成本；双峰粉末分布法，是指将两种尺寸的粉末结合在一起，由于较小的颗粒填充了较大颗粒之间的间隙，因此产生较高的堆积密度。

使用双峰方法可以提高粘结剂喷射3D打印零件的生坯密度，从而能够产生更高的烧结密度。如果粉末材料可以通过稳定的工艺进行均匀铺粉，则零件的密度将始终保持较高。

除此之外，在材料方面需要进行优化的工作还包括丰富粘结剂喷射3D打印的金属粉末，例如开发用于制造结构零部件的材料。

I 优化设计

每种制造工艺都有其特殊的零件设计约束和设计准则，粘结剂喷射3D打印技术也不例外。吉凯恩正在积累面向这一3D打印技术的设计专业知识。当面对工业用户时，重要的是让他们意识到粘结剂喷射3D打印技术能够为零件设计优化所带来的价值。

来源：GKN Powder Metallurgy

GKN 使用的HP Metal Jet设备能够实现的零件壁厚在1.3-30毫米之间（上限是由于需要烧掉粘结剂）。由于使用了细致的粉末，该技术可实现的零件表面质量达Rz（轮廓最大高度）45微米。该技术的公差等级为IT12-14，随着技术的发展，这一数值将会降低。通过该技术制造的零件具有符合MPIF 35标准的机械性能。

I 3D打印生产率高达50倍

价值链的第三部分是打印过程本身。HP Metal Jet 3D打印技术是一种粘结剂工艺，在打印时，设备将一层金属粉末铺到打印床上，然后沉积粘合剂以形成零件的第一层，然后重复此过程，直到创建完整的零件。

来源：GKN Powder Metallurgy

根据吉凯恩，Metal Jet工艺将产生高达50倍的生产率，适合进行的批量生产数量达50,000个。

I 自动化的粉末清除流程

价值链的下一步是清除打印粉末。迄今为止，大部分去除3D打印粉末的工作是手动的，但如果将粘结剂喷射3D打印技术投入到汽车零部件生产等领域中，用于生产成千上万的零件，那么手动去除粉末就不是一种可持续的解决方案。

来源：GKN Powder Metallurgy

在这个环节中，吉凯恩认为可改善的空间是，实现自动化的粉末和零件处理。吉凯恩将与HP 合作开展这项优化工作。

I 在烧结过程中进行全尺寸控制

吉凯恩是粉末冶金领域的制造商，烧结技术是其业务中的一部分。目前，吉凯恩有两种烧结炉：间歇式炉和连续式炉。

间歇式炉具有许多优点，包括材料的灵活性，良好的温度和气氛控制。连续炉也具有其优势，例如高生产率和良好的温度控制。从工业化的角度来看，烧结工艺已经很成熟，吉凯恩的熔炉符合汽车行业的标准并经过验证。

烧结后的特性：由于摆放位置不同，烧结后，测试零件呈现多层和不同机械性能。来源：GKN Powder Metallurgy

吉凯恩发现，经过烧结处理的粘结剂喷射金属3D打印零件，在密度上高于金属注射成型（MIM）零件，但在尺寸变化方面仍存在改进的空间，目前在构建和烧结过程中的尺寸变化率为2-3%，吉凯恩希望通过更强大的印刷和烧结工作流程达到与金属注射成型相当的尺寸精度。

I 工业化的催化剂-数字工作流程

3D打印技术作为一种典型的数字化制造技术，要实现工业化生产的应用，离不开数字工作流程的支撑。在数字工作流程中，吉凯恩认为需要为运营建立起数字孪生系统，将从粉末生产到零件生产的全过程实现数字化，通过数字孪生技术，增强过程控制，并实现质量完全可重复的打印过程。

增材制造数字孪生系统。来源：GKN Powder Metallurgy

吉凯恩已经针对粉末床激光熔融3D打印工艺建立了数字孪生系统，该系统可以产生许多协同作用, 实现从粉末生产到零件生产的全过程数字化。

 3D科学谷Review

任何一项新制造技术的发展都离不开应用的土壤。而谈到粘结剂喷射金属3D打印技术在生产中的应用，我们可以把话题切回到大众汽车与惠普、吉凯恩的合作上来，以汽车行业为例，看一下这一技术工业化应用前景。

大众将分三个阶段应用HP Metal Jet 3D打印技术。

最初，为了强化大众对金属3D打印的重视，大众通过HP Metal Jet 3D打印系统生产其新型ID.3电动汽车的微型模型，用于市场宣传目的。

接下来，是进行大规模定制和装饰部件的制造，并计划尽快将Metal Jet金属3D打印的结构部件集成到下一代车辆中，并着眼于不断增加的部件尺寸和技术要求。

未来的目标是每年制造5万至10万个的足球大小尺寸零件。这些3D打印组件可能包括变速杆和后视镜支架等。增材制造将凭借其在轻量化方面的优势而在不断增长的电动汽车的生产领域中获得部署，惠普预计不久的未来将生产经过完整安全认证过程的金属零件。

通过2019年的3D打印机出货量，也能够看到间接金属3D打印技术的发展。根据3D科学谷的合作伙伴CONTEXT, 2019年第二季度，金属3D打印设备发货量的前五名厂商(按照台数）分别是：GE, EOS, Markforged，Desktop Metal, 德国通快。在2019年上半年，中国国内市场上工业级打印机的出货量尤其强劲，而Desktop Metal和Markforged等新型的间接金属3D打印解决方案也受到了市场青睐。

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