金属3D打印火了这么多年,为什么产业应用还是举步维艰? 

由 3D打印联盟智库 发布于 2020-11-04 10:19 

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编者按:本文来自微信公众号“3D打印联盟智库”(ID:iPrinting)作者:晚风饮墨香,3D打印资源库经授权发布。

2014年是金属3D打印真正开始走红的一年,这一年是金属3D打印真正开始产业化的一年,虽然之前很早就有金属3D打印,但是发展进程缓慢,产业化方向并不明朗。
虽然金属3D打印产业化进程持续推进了这么多年,可为什么终端的实际应用推广还是举步维艰,屡屡受挫呢?我的思考答案是:标准的缺失。
当然,我们这里说产业化是真正实现终端应用的产业化,而不是面向那些低端的手板样件,用3D打印的方式制作金属手板样件,实际上是把高端技术低端化,况且还是打印的传统思维方式设计的样件,从长远来讲,这对于金属3D打印来说并不是一件好事,这样说可能会引起一些同行的不适。

我们回归到问题的本质,金属3D打印标准的缺失。


缺少这个行业自有的材料
目前世界上现有的金属3D打印材料都是在已有的传统材料中选出来的,并不是属于这个行业自有的。有人会问为什么3D打印不自己研制材料呢?答案是:会有,但是需要时间。
材料是怎么划分和区别?材料牌号。怎么理解材料牌号?简单来讲,就是对材料进行编码的一个代号。举个例子,316L是一种不锈钢材料的牌号,对应的美国标号是AISI 316L,日本标号是SUS 316L,中国标号是S31603(022Cr17Ni12Mo2,中国也习惯用主要成分及比例进行编号)。
虽然现有的金属3D打印材料有对应的材料牌号,但是这些牌号都是在传统工艺上制定出的标准,如果3D打印工艺还是采用同样的材料牌号来命名是否真的合适?

材料的成分标准与性能标准

值得欣慰的是,经过金属打印这几年的快速发展,现在ASTM终于有了几份标准出台,涉及到的材料也是目前最常见的几种材料,包括Ti6Al4V,In718,In625,AlSi10Mg和316L。
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这份标准标准里面包括的化学成分要求,力学性能要求,热处理要求,工艺要求:粉末床。
但是这几种材料对于广大的材料世界而言可谓是杯水车薪。
比如当你设计一款零件,材料选型不是316L,而是其他的不锈钢304L,没有了相关参照标准那么你该怎么办?
在回答这个问题之前,我们先来了解一下关于ASTM标准的制定结构。
实际上,不管是316L还是304L,你会发现这些材料都不会单独出现ASTM的一处,而是根据加工工艺的不同多次出现,单独列分,即便是这些材料的化学成分并无差异。但是不同加工工艺获得的材料性能是不一样的,比如铸造,锻造和轧制,这就是工艺区别,ASTM标准的制定实际上就是根据材料的不同加工工艺进行分级的。
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例如,ASTM  A276对应的就是不锈钢棒材和型材加工工艺划分的标准。
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ASTM  A240对应的是不锈钢薄板,带材加工工艺划分的标准。
ASTM  A276和ASTM  A240这两份标准里面有很多相同牌号的材料,比如304L,316L等等,如果你仔细对比分析会看到,其实即便是同种材料牌号,化学成分也是有轻微差异的,更不用说性能了。

所以,这就要求设计人员在材料选型时考虑加工工艺,如果他设计的零件需要棒材然后机加工的话,他就必须表明是ASTM  A276里面的某种材料。如果设计人员设计的零件是薄壁的壳体,那么他可能会选择ASTM  A240这个标准。
所以,除了有限的几种材料有相应的3D打印标准外,其他3D打印材料依照哪个标准执行呢?恐怕没有一个统一的答案。

事实上,当设计人员选定某一项标准的时候,那就必须要满足这项标准里所列的所有要求,关键的是:
化学成分;
力学性能;
热处理制度;
制造工艺。
即便是化学成分与力学性能满足;但是3D打印的热处理制度与传统不见得一致;制造工艺属于增材制造,属于新工艺。
在这种情况下,设计人员要想选择3D打印,怕是思量半天还是不敢选3D打印。

没有标准怎么解决?
或许有人说,没有标准我们制定标准不就行了吗?对,根据材料的化成成分,性能,热处理制度及制造工艺编制一份新的标准,提供给设计者选择。怎么做呢?哪些数据需要测试,测试多少,资金来源,人力物力,怎么决策,周期多长,标准化组织怎么向前推?
但是,你以为这样做就完事了吗?在制造流程中,哪个文件规定哪个零件可以使用3D打印这个工艺?恐怕这又是一堆复杂的脉络。
一想到这些就会让人头疼!

很现实的是目前国内的3D打印厂家规模量级都不算大,资金本就有限,单就一个材料而言就要完成强度,疲劳,断裂,持久性等等一系列的实验测试,没有个千万级的投入根本做不下来,更不用提要建立多种不同材料的规范标准了。恐怕这也只有那些不差钱的央企拿着国家财政的钱才会去建立吧。
要等标准建立完,然后应用端的材料选型列表中出现了3D打印的名字,估计那个时候3D打印在不在都还是未知数。

所以,该怎么解决呢?折中解决:只要成分、性能满足要求,其他的我不管。
虽然是简单的一句话,但是这背后需要企业的工艺人员付出多大的精力去制定整个工艺链:
工艺研发标准化;
制定3D打印热处理制度;
制定相应的成分、性能及质量检测标准;
制造流程的设计;
工艺链条责任区划分。

因此,金属3D打印企业的工艺人员综合素质必须过硬才行,一般人还真做不来。
但是,有人会问:我们做的东西为什么没有这么复杂的要求?答案是你做的东西没有可靠性要求。
凡是涉及到疲劳,持久性断裂相关性能指标的零件,没有人会忽略这些。为什么?因为3D打印工艺内部的微观孔隙,虽然都是微米级的,但是会对断裂、疲劳特性产生潜在的危险,有可能就是裂纹萌生的源头。但是要想解决3D打印内孔隙问题,这又是一项极难完成的科研工作。

3D打印的未来
我之前说过,粉末床式的3D打印和规模量产不可能同时出现,因为加工效率低,价格贵,尺寸不大,但是我认为这不是核心因素。即便是面向高端应用,以中国这样的制造体量培养几家上规模的金属打印厂家还是不成问题的。关键还是标准问题,制造标准与材料标准对一项新工艺走进应用端可谓是举步维艰。

但是,3D打印的未来依然充满光明,因为国家重视,政府在跟进,企业尤其是航空航天这些高附加值产品的企业开始意识到了3D打印的潜在价值:轻量化设计制造一体。据我所知,各个航天企业已经成立相关的设计部门,从源头设计就采用3D打印的思维去设计应用的零部件,未来几年,航天领域将会是金属3D打印的爆发期。

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