GKN Additive生產車間的惠普粘結劑噴射金屬3D打印設備單元

截至到當前，GKN Additive已經認定粘結劑噴射金屬3D打印在工業應用中具有巨大潛力，包括在批量生產中具有明顯的成本優勢、快速上市、添加創新產品功能，以及根據客戶的具體要求靈活調整產品和組件的能力。作為一項似乎還未發展成熟的工藝類型，GKN Additive卻已經嘗到了甜頭。

采用BJ技術的關鍵成功因素

就如3D打印技術參考一直以來所強調的，BJ技術最為關鍵的是后燒結階段的變形控制。GKN Additive當前已經通過為施耐德電氣開發專用的過濾器證明了對于其成功至關重要的因素便是其數十年來通過金屬注射成型（MIM）和粉末冶金為汽車行業生產高性能結構部件的經驗。

需要尤其指出的是，GKN Additive燒結BJ技術打印的零件使用的是連續爐而非增材行業常用的間歇爐。3D打印技術參考查詢到，間歇式窯爐體積普遍要比連續式窯爐小，該窯爐每燒制一次產品必須等待降溫后才能取出，而再燒制的時候又需要升溫，所以單位能耗比連續式窯爐要高。連續式窯爐的特點是能連續生產，能耗要比間歇式窯爐小，能大量生產同類型的小型產品。這有助于以比分批燒結更有效的方式生產更大量和更大體積的部件，克服了金屬BJ技術大批量生產路線上的障礙。當然，應該注意的是，分批爐與連續爐的使用取決于合金，一種爐型相對于另一種的優勢受到諸如生產量、部件尺寸和具體應用要求等因素的影響。

深入探索BJ技術為制造帶來的革新

施耐德電氣是能源管理和自動化數字化轉型的全球領導者，為其ComPacT®斷路器開發了基于金屬BJ技術的過濾器解決方案，用于大型工業工廠和船舶應用。在短路的情況下，這些過濾器捕獲電離粒子，降低電弧引起的氣體排氣壓力和溫度，使開關設備占地面積更小，并為其全球客戶提供具有成本效益的解決方案。過濾器必須能夠承受等離子體產生的極端溫度和高壓。最初的過濾器采用金屬板組件制造，因此存在性能限制。在開發新的解決方案時，施耐德電氣測試了各種制造工藝，但沒有一種達到要求的性能。使用3D打印，濾網、柵格和框架可以作為一個整體制造，即一體制造。激光粉末床熔融(LPBF)取得了成功的結果，但由于過濾器內部結構復雜，批量生產成本過高。粘結劑噴射工藝被證明是有吸引力的，但由于過濾器本身結構復雜，清粉是最初面臨的重要挑戰。

施耐德電氣極復雜結構過濾器

為了推進該項目，GKN Additive與惠普展開了合作，它也是惠普金屬噴射技術商業開發的早期合作伙伴，后者受益于GKN粉末冶金的廣泛專業知識（世界上最大的燒結產品生產商和第二大金屬粉末制造商）。雙方的合作，使GKN Additive能夠為其客戶提供具有成本效益的工業規模生產，同時利用3D打印提供重大創新潛力。GKN PM全球產品中心增材制造經理Stefan Hundrieser表示，“作為顧問和產品開發人員，我們非常仔細的研究產品的設計，并盡可能根據客戶的要求和生產過程對其進行優化。我們將這種方法稱為‘燒結增材制造設計’。僅八周，GKN Additive就能提供用于驗證測試的功能樣品。”

安裝在ComPacT®斷路器中的金屬BJ過濾器

使用金屬粘結劑噴射，樣品零件的生產過程與批量生產相同。當涉及到樣品生產時，這是其他制造技術的決定性優勢。傳統上，樣品部件使用不同的工藝制造，后續系列部件的制造始終存在不確定性。相比之下，金屬粘結劑噴射并不局限于原型或小批量生產。即使樣品部件也幾乎與成品系列部件具有完全相同的規格。因此，該工藝可以實現可擴展和可復制的金屬增材制造，在工業規模上以可確定的時間和預算精確的復制最復雜的形狀。

基于“燒結的增材設計”

該項目的挑戰是在短時間內建立穩健的生產解決方案并實現盈利。為了做到這一點，必須對整個過程進行協調和優化。

“在產品開發之初，我們有能力決定性的、積極的影響設計，以提高功能和可制造性。這也會影響成本，如零件尺寸（熔爐空間）、重量（粉末成本）和粉末清理（勞動力成本）等成本驅動因素。此外，在這個階段，我們可以為客戶的產品開發提供重要的動力。這是我們咨詢和輔導服務的基本組成部分，也是我們‘基于燒結的增材設計’的獨特之處。”

裝載金屬過濾器的燒結托盤通過連續燒結爐系統 (來自GKN PM)

對于施耐德這個案例，這包括推動在設計空間中實現最大的“零件密度”——創造一個盡可能緊湊的組件，以便能夠經濟高效的生產。產品越緊湊，打印機和燒結爐所需的空間就越小。其他關鍵因素包括在燒結過程中管理收縮和變形。如果不深入了解燒結過程，最終零件的尺寸精度就有可能較差，從而產生大量廢料。設計一種可以在沒有昂貴燒結支架或固定器的情況下燒結的部件，或者消除后處理的需要，可以節省大量的工藝成本。粉末開發也要求極高，與構建和燒結工藝的精確匹配需要廣泛的冶金專業知識。

快速滿足大批量生產

GKN PM全球產品中心增材制造經理Stefan Hundrieser表示，“我們在粉末冶金方面擁有豐富的經驗，并在金屬粘結劑噴射和大批量燒結方面也積累了高水平專業知識。我們能夠以最佳方式協調所有組件和參數，同時觀察客戶的需求和規格。我們熟悉管理復雜的項目，就像我們熟悉保持最高的質量標準一樣，例如在汽車行業中經常發現的那些標準。”

在與施耐德電氣初步接觸僅9個月后，GKN Additive已經能夠開始批量生產過濾器。為此，粘結劑噴射工藝連接到其工廠的所有系統(物流、生產計劃、質量保證等)，該工廠通常為汽車和其他行業生產零件，從而為高效的工藝開發創造了條件。“我們使用粘結劑噴射的工廠將汽車行業的標準與增材制造系列生產相結合。這使我們能夠滿足最復雜的工業要求——遠遠超出了增材制造行業的要求”。

生產采用三班制，有三臺粘結劑噴射打印機(如果需要，可擴展到12臺機器)，三個固化站和一個為粘結劑噴射工藝改進的燒結爐，可處理多達六臺機器生產的零件。通過這種方法，每月可以在短時間內生產多達1300個零件，并且隨著規模的擴大，這個數字可能會增加幾倍（實驗系列已經交付了5000多個零件）。

施耐德電氣工業化負責人Thomas Rivoire證實：“GKN Additive和惠普的聯合項目使我們完全相信了粘結劑噴射工藝。得益于此，使產品在批量生產中具有明顯的成本優勢。”施耐德電氣的增材制造專家Guillaume Fribourg博士補充道：“重新設計的過濾器具有顯著的改進，其增加了剛度，提高了效率，而且更容易集成。然而，對我們的客戶來說，關鍵的好處是將機柜的尺寸減少了20-30%，從而減少了全球電氣開關設備的占地面積，并因此減少了包括銅母線在內的相關材料消耗。”

GKN Additive掌握從粉末生產到設計、零件制造、燒結和后處理的整個過程。該企業在增材制造領域擁有全球業務，深知陷阱和影響，知道應該如何調整戰略并為客戶提供價值。Binder Jetting使金屬增材制造擴展到工業大批量生產，并為許多組件提供了巨大的優化潛力。

END

所有行業的工業公司都可以從這些優勢中受益，特別是如果他們面臨創新的壓力，并且在傳統技術(如金屬注射成型)方面已經達到了極限，增材制造將為產品帶來新的創新維度并為其增加新的價值。粘結劑噴射比傳統的標準制造技術更昂貴，但比其他增材制造工藝便宜得多。然而需要指出的是，從技術上講，許多產品可以由BJ技術生產，但并非所有產品都具有商業價值——其他工藝可能更適合。