2017年初，德国教育与科研部资助了混合制造工艺研究项目-KitkAdd，项目参与方包括研究机构以及西门子、约翰迪尔、吉凯恩粉末冶金等知名企业。该项目主要目的是探索增材制造与传统制造方式相结合而成的混合制造工艺的潜力，在零件制造中充分利用两种工艺的优势，既利用增材制造技术提升零件的附加值，又能够获得更高成本效益。
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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