用3D列印聚合物代替金屬

用3D列印聚合物代替金屬

用聚合物代替金屬不僅是可能的，而且變得越來越普遍。當前一代的高性能聚合物和複合材料具有與鋁相似的機械性能，但重量僅為鋁的一小部分。此外，使用AON M2+等高溫3D印表機從這些聚合物增材製造零件的能力，通過降低傳統製造方法的複雜貨時間和成本限制，推動了進一步的採用。 在本文中，我們解釋了金屬和聚合物之間的結構差異如何影響其體積特性，並討論了已經在一些最苛刻的應用中用於替代金屬的兩種聚合物。 用於航空航太的ULTEM™ 9085 Y型管道在AON M2+上3D列印，可在不犧牲零件強度或耐熱性的情況下大幅減輕重量 金屬和聚合物的區別是什麼？ 在我們討論哪種聚合物適合替代金屬之前，我們需要設定正確的期望。一些公司可能會誇大高性能聚合物的能力，而沒有考慮到金屬和聚合物的根本不同。區別如下： 聚合物 3D列印聚合物是熱塑性塑膠，由彼此化學分離的聚合物鏈組成（鏈之間沒有分子鍵）。這些鏈條在物理上纏繞在一起，為整個材料提供了機械完整性。鏈還可以組織並折疊成晶體結構，由於更大的分子間相互作用力，晶體結構更難拉開。這就是為什麼與無定形聚合物相比，半結晶聚合物在強度和剛度方面更好。   具有結晶和非晶區域的半結晶聚合物微觀結構圖   五金 如果你把一種普通的金屬放在顯微鏡下，你會看到一個類似於下圖A的結構。金屬由小晶粒組成，其中每個晶粒由一個晶格組成（圖B）。這些晶體由一系列金屬原子組成，這些金屬原子通過牢固的金屬鍵連接。原子的結合和組織成晶體是金屬天然堅固和堅硬的原因。通常，這些晶粒的大小和方向彼此不同，這兩者都會影響金屬的體積特性   金屬微觀結構圖，顯示晶粒由在晶界相遇的單個晶體結構組成。   總之，半結晶聚合物部分由晶體製成，而金屬包含許多取向不同的晶體（顆粒）。由於熱塑性聚合物鏈是化學分離的，因此吸引力比金屬中晶體之間的金屬鍵弱。因此，金屬更耐彈性變形（更硬），通常更耐溫。這就是為什麼金屬一直是機械和熱應用的默認選擇的原因。但隨著我們設計出更先進的熱塑性塑膠，有效強度開始與金屬相匹配，在某些情況下甚至超過金屬。   兩種合適的金屬替代材料：PEEK和ULTEM™   PEEK和ULTEM™ 9085是兩種最受歡迎的聚合物，已被考慮用於替代金屬。下圖將這些材料與鋁6061進行了比較，鋁6061是一種用於飛機結構，汽車零件，海洋結構和消費品製造的合金。CF PEEK含有10%的碳纖維，可提高基線PEEK的強度和剛度。在這些行業中，金屬替代可以顯著減輕重量，同時保持所需的機械和熱性能。此外，與普通在役金屬相比，這些高溫熱塑性塑膠具有優異的耐化學性和耐腐蝕性。 比強度用於評估材料的拉伸強度與其密度的比較。熱塑性塑膠的較高比強度允許重量更輕的部件，同時保持與金屬相同的強度特性。 連續使用溫度基於給定的行業標準和製造商技術表的每種材料的允許工作溫度。 我們可以看到PEEK和ULTEM™減輕了50-60%的重量，同時保持了高強度和高耐熱性。替代金屬意味著運輸業可以節省更多燃料、降低碳排放或提高有效載荷能力。此外，這些材料具有高耐化學性、高抗衝擊性，符合 UL94-V0 可燃性等級，並符合 FAR 25.853 火焰、煙霧和毒性 （FST） 要求，這是航空航太和海軍應用的要求。   如何3D列印PEEK和ULTEM™   簡單地3D列印高性能材料並不能保證零件具有報告的機械，熱和化學性能。為了匹配這些特性，所選的3D印表機需要一個精確控制的高溫構建室（最低132°C），500°C擠出機和可配置的列印表面。在低於 132°C 的溫度下列印會顯著降低零件強度和耐化學性，並且需要進一步退火，其中翹曲是不可避免的。AON M2+是一款大型高溫工業3D印表機，經過優化，使PEEK和ULTEM™ 9085等高性能材料3D列印變得簡單易用。

芬蘭技術巨頭 Wärtsilä 借助 Amphyon 金屬增材仿真能力製造泵葉輪

芬蘭技術巨頭 Wärtsilä 借助 Amphyon 金屬增材仿真能力製造泵葉輪

增材製造（AM）技術正蓬勃發展，其主要優勢在於它有潛力在提高零件品質的同時減少生產時間。而達成這一目標的主要障礙是設計不夠精准。僅僅是完善一個零件，往往就需要經過無數次的原型迭代，每一次迭代都會大幅增加成本。 芬蘭技術巨頭 Wärtsilä 借助 Amphyon 的金屬增材仿真能力來克服這個問題，並使用增材製造一次成功生產泵葉輪。    什麼是泵葉輪   泵葉輪是離心泵的旋轉部件，從旋轉中心向外加速流體。從能源業到海運業，泵葉輪都得到了廣泛的應用，且不同的應用往往需要定制不同的泵葉輪。因此，製造商通常大批量生產葉輪，以確保隨時滿足各類不同需求。  儘管泵葉輪隨處可見，可它們造價高昂。其製造和儲存成本太高，使得企業需要尋找更經濟的替代品，探索增材製造技術帶來的新的可能性。    增材製造賦能Wärtsilä製造泵葉輪 Wärtsilä 的初代使用增材製造技術製造的泵葉輪重量較常規泵葉輪減輕5%   Wärtsilä 是一個非常具有前瞻思維的企業。近200年前，Wärtsilä 成立於芬蘭，為船舶和能源市場提供創新技術和生命週期解決方案，並已在該領域確立其領先地位。擁有如此強大的工程“基因”，該公司帶頭優化葉輪生產過程就不足為奇了。其遠見卓識促成了使用增材製造技術製造的泵葉輪的問世，在不犧牲其堅固性的前提下，它比常規泵葉輪更輕。    該款葉輪經過了兩次迭代，每次都變得更輕，且經過數百小時的測試，在標準操作下未出現破損、故障或錯位問題。該泵葉輪的成功生產使得 增材製造技術降低生產成本的目標承諾離實現更近了一步。    用增材製造技術取代傳統製造方法也可減少企業開支。鑄造原型通常需要花費數萬歐元，而使用增材製造技術，Wärtsilä 不再需要進行這道工序，備件可按需現場生產，使漫長的交貨時間和昂貴的存儲成本成為過去時。    Oqton Amphyon助力Wärtsilä Wärtsilä 第二臺使用增材製造技術製造的泵葉輪   葉輪製造期間，Wärtsilä 聯手Oqton旗下的金屬增材仿真軟體 Amphyon，合作取得了一些突破性的成就，包括列印頗具生產難度的旋轉部件，大大減少製造週期和後處理成本。    “事實證明，不同企業為共同目標奮鬥，共用前沿專業技術成果時，其產生的力量非常強大。” Wärtsilä 增材製造專家 Francesco Trevisan說，"該葉輪已經體現了某些技術創新，並為其在船用發動機中的最終應用提供了很高的價值。我們已經生產出了此前難以想像的輕量化部件，這為增材製造在船舶工業中的更多應用打開了新思路。"    仿真是金屬增材製造成功的關鍵 Amphyon仿真技術   該專案能取得如此成果，Amphyon 居功至偉。通過仿真模擬實際增材製造生產過程，並為用戶提供模型預變形功能，從而補償生產過程中產生的任何變形，Amphyon剔除了該過程中的所有不確定因素。    通常在沒有仿真軟體輔助的情況下，需要通過迭代來完善金屬列印模型，即不斷製造同一部件的不同版本，直到獲得符合預期效果的部件。而金屬增材製造的每一次迭代都成本高昂。借助 Amphyon 模擬金屬增材製造過程和預變形設計模型的能力，能在減少的零件版本和降低成本的同時兼顧設計的精確性。  為了防止變形，工程師在 Amphyon 上進一步調整了設計方案。Oqton Amphyon考慮了製造過程中的熱應力、應力消除和支架移除，以便計算泵葉輪的翹曲。Amphyon未對複雜的晶格結構進行網格劃分，而是採用了一種新的等效替代方法，大大減少了計算時間。一個普通的CAD工作站上只需 1 小時 35 分鐘即可完成最終分析。Wärtsilä 通過仿真生成變形補償或預變形的模型，從而得到一個接近原始設計的輕量化零件。    該葉輪已經體現了某些技術創新，並為其在船用發動機中的最終應用提供了很高的價值。Wärtsilä 已經生產出了此前難以想像的輕量化部件，這為在船舶工業中的更多應用打開了新思路。    重量最小化和性能最大化兩者兼併   通過在某實驗室生產的真實比例發動機，對產出的泵葉輪進行了測試。在不同的發動機載荷下，進行了多種測量以掌握其性能。測試使用了真實的環境條件，如 120⁰C 高溫和超過 2600 轉/分的轉速。    "通過與Oqton合作共用知識成果，我們研發出一款應用，將能源領域的增材製造應用推向了新的高度，" 專案經理 Lorenz Kropholler 稱，"設計、預變形和生產領域創新工具的結合產生了一個各種性能優越的零件，集諸多優點於一身，如重量最輕、性能最大化和短至數天的交期"   源文摘自：Oqton