硬质合金刀具是一种以超细颗粒碳化钨为主要原材料，以钴、钇等金属元素或其它难熔碳化物粉末为辅助材料的精加工合金，具有硬度高、强度大、韧性好、耐磨、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，因而适合应用于数控机床中。近日，根据3D科学谷的市场观察，国际上通过粘结剂喷射3D打印技术成就了结构更加复杂、带冷却内流道的硬质合金刀具。
在 GE Additive 的 Beta 合作伙伴计划的所有合作伙伴中，肯纳金属- Kennametal无疑是独具特色的。
根据3D科学谷，Binder Jetting是一种粘结剂喷射打印技术，在这个过程中，陶瓷硬质材料的粉末颗粒，包括碳化钨颗粒通过含钴、镍或铁的粘结材料层层打印粘结起来。这种粘合材料不仅是粉末层之间的粘结剂，还使得产品具有良好的机械性能并能生产完全致密的部件，甚至可以选择性地调整弯曲强度、韧性和硬度。这些3D打印的硬质合金模具比传统方法生产的模具具有更大的几何槽形自由度，可以制成更复杂的几何形状。
粘结剂喷射3D打印
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大批量、低成本3D打印
早在2017 年，GE 增材制造就宣布GE一直在开发一种金属粘结剂喷射3D打印技术，该技术将能够实现大批量、低成本的增材生产。
根据3D科学谷的了解，面向量产，GE于2020年还发起了合作伙伴计划，通过共同开发并共享知识，以充分实现增材制造所带来的变革性收益。目前的合作伙伴已经包括康明斯、西屋制动和山特维克。这些合作伙伴通过GE的粘结剂喷射金属3D打印针对特定的垂直领域：康明斯用于发电和汽车，西屋制动用于铁路，山特维克用于采矿等方面。
作为该计划的最新成员，工业技术公司肯纳金属也不例外，肯纳金属以其在材料科学、刀具和耐磨解决方案方面的专业知识而闻名。
GE粘结剂喷射金属3D打印
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肯纳金属-Kennametal 的碳化钨和 Stellite™（钴铬合金）合金以其卓越的耐磨性、耐热性和耐腐蚀性能而著称。作为该合作伙伴计划的一部分，肯纳金属将专注于将这些高性能、耐磨和耐腐蚀的材料系列优化到增材制造平台，以提供具有复杂设计、更短交货时间和更高性能的完整组件，这是传统方法无法实现的。
突破传统工艺的限制
根据3D科学谷的了解，传统加工工艺， 通常通过将碳化钨粉末均匀地压在柔性袋中来制造具有高纵横比的大尺寸硬质合金工件或碳化物工件（例如立铣刀和钻头刀柄）。虽然均压法的生产周期比成型方法长，但是该工具的制造成本较低，因此该方法更适合于小批量生产。
硬质合金工件也可以通过挤压或注塑成型来形成。挤出工艺更适合于轴对称成形工件的大规模生产，而注塑工艺通常用于复杂形状工件的大规模生产。在两种模塑方法中，碳化钨粉末的等级悬浮在有机粘合剂中，这赋予碳化钨混合物如牙膏的均匀性。然后将混合物通过孔挤出或模塑成模腔。碳化钨粉末等级的特征决定了混合物中粉末与粘合剂的最佳比例，并且对混合物通过挤出孔口或进入模腔的流动具有重要影响。
通过模塑，均压，挤压或注塑成型工件之后，需要在最终烧结阶段之前从工件上除去有机粘合剂。烧结去除工件中的孔隙，使其完全（或基本上）致密。在烧结时，压制成形工件中的金属结合变成液体，但是在毛细力和颗粒接触的共同作用下工件仍然可以保持其形状。
烧结后，工件的几何形状保持不变，但尺寸缩小。为了在烧结后获得所需的工件尺寸，在设计工具时需要考虑收缩率。在设计用于制造每个工具的碳化钨粉末等级时，必须确保在适当的压力下压制时具有正确的收缩率。
影响刀具寿命的因素
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熟悉Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术的业界人士不难发现，传统注塑成型工艺制造的硬质合金工件流程中的脱脂，烧结过程与粘结剂喷射金属3D打印技术所需要的后处理过程是一致的，3D打印技术在刀具领域的制造方面占有越来越重要的位置。
根据3D科学谷的市场观察，目前在刀具制造中应用的3D打印技术主要有两种。一种是LPBF选区激光熔化3D打印技术，用于制造金属刀具特殊的槽形或者刀具内部复杂的冷却通道；一种是3D科学谷在之前的文章中提到的3DP粘结剂喷射技术。
刀具3D打印与刀具制备
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与PBF基于粉末床的选区激光熔融金属3D打印工艺相比，Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术具有几个关键优势：更具经济性的粉末材料（类同于MIM工艺所用的金属粉末材料）；不需要支撑结构；高效的打印速度适合大批量生产应用，从汽车、飞机零件到医疗应用。
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。
粘结剂喷射3D打印技术是通过材料喷射和烧结工艺的相互结合来生产完全密度的金属零部件。成本较低的设备也意味着零件成本大大降低，大批量成本较低的零部件是走向生产的关键要素。粘结剂喷射金属3D打印技术有可能取代小批量，高成本的金属注射成型，还可以用于生产其他领域复杂而轻便的金属零件（例如齿轮或涡轮机叶轮），大幅降低3D打印成本，并缩短交货时间。
3D打印释放竞争优势
有趣的是，肯纳金属并非是第一次尝试金属3D打印，除了粘结剂金属3D打印技术之外，此前，肯纳金属就开发了一种轻量化镗孔刀具，这款镗刀是通过增材制造-3D打印技术制造的，用于加工新能源汽车电机定子。
肯纳的这款3D打印刀具经过不断的设计迭代，与第一代刀具相比，重量进一步减轻了 20%，带有碳纤维主体的 3D 打印定子钻孔刀具重 7.3 公斤。
3D打印-增材制造为刀具实现了复杂内部和外部特征。根据3D科学谷的了解，翼型臂确保无忧的排屑，该臂通过冷却液确保精确和强大的冷却液供应到切削刃和导向垫。用传统制造方式经济地生产这将是困难或不可能的，但3D打印使肯纳能够实现甚至如此复杂的内部特征。此外，肯纳金属 RIQ 铰孔系统具有易于直径调整和无故障安装新刀片的特点。
无论是3DP技术用于硬质合金刀具的制造还是LPBF技术用于金属刀头和刀柄的制造，3D打印技术在刀具领域的制造方面占有越来越重要的位置。
知之既深，行之则远，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，有关刀具增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的《3D打印与金属切削刀具白皮书》。
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