歐盟推出一個新的汽車行業標準，2026年，所有的汽車剎車盤都需要做一個表面處理——一項新的金屬涂層，減少制動粉塵，增加使用壽命、提升安全性。南極熊駐歐洲志愿者在Formnext2021展會上看到，已經有一家德國公司推出了專門針對這個金屬涂層的高速激光沉積金屬3D打印系統，在剎車盤市場應用空間非常大。激光送粉金屬3D打印廠商要注意把握這個機會。
△使用極高速激光金屬沉積3D打印工藝涂覆剎車盤
有調查表明，制動系統市場預計將從2021年的209億美元增長到2026年的265億美元，復合年增長率為4.9%。盤式制動器細分市場預計將成為制動類型最大的市場。然而，為了保障良好的制動力、散熱性和磨損問題，剎車片的表面處理將會是未來的關鍵。3D打印技術或成為解決這一問題的途徑，撬動未來的制動系統市場。
常規的剎車盤通常采用灰鑄鐵（HT250）來制造，這種材料成本低、加工性能好。然而，缺點是活性高，與空氣接觸極易發生氧化，生成鐵銹。如果制動盤在使用過程中遇水還會發生電化學反應，短時間就會產生銹斑。因此，表面處理工藝成了剎車盤性能的關鍵。
最常見的方法是在剎車盤的表面進行涂層處理。多年來，研究人員嘗試了各種沉積技術進行涂層轉化。但大部分過程相對復雜，并且在成本上也相對昂貴。隨著人們對健康和環境問題的關注度上升，對于剎車片表面處理以及報廢標準也越來越嚴格，這促使制動系統市場向更加方便、快捷、經濟的表面處理方式傾斜。南極熊發現，有這樣一家3D打印公司似乎抓住了這一機遇。
CHIRON Group和AM Coating
德國CHIRON Group是世界領先的加工中心和解決方案供應商之一，在全球范圍內設有生產和開發基地、銷售和服務子公司和代理機構。通過增材制造，集團擴展了金屬加工和自動化核心競爭力，并提供完整的解決方案。這家公司有一種制動盤涂層金屬3D打印系統：AM Coating，使剎車盤涂覆兩個保護層，防止腐蝕和磨損，減少細小灰塵。
△3D涂層的剎車片
AM Coating使用高速激光金屬沉積焊接3D打印工藝，可實現最短循環時間和最佳層附著力。為了覆蓋不同的細分市場，AM Coating將提供兩個版本：AM Coating SINGLE，用于開發工藝參數和小批量生產的較小系統；AM Coating TWIN，用于批量生產的全自動系統。
△激光熔覆金屬3D打印的剎車片實拍，圖/南極熊駐歐洲志愿者
極高速激光金屬3D打印沉積 (EHLA)
為確保耐磨和耐腐蝕，同時加快保護層的涂覆過程，AM Coating使用了極高速激光金屬沉積3D打印工藝，簡稱EHLA。這是弗勞恩霍夫激光技術研究所 ILT 和亞琛工業大學開發的一種新涂層工藝，從標準激光金屬沉積工藝發展而來，非常適合制動盤的涂層。
△使用 EHLA 工藝涂層的成品制動盤
△AM Coating
EHLA的創新點在于：金屬粉末顆粒被吹入激光束并在那里熔化，而不是在熔池中熔化。因此，與標準激光金屬沉積相比，這種方法可實現更高的涂層速度。這和SPEE3D、Titomic等公司的冷噴涂技術似乎有些相似。不同的是，上述兩種冷噴涂技術通過將金屬粉末以超音速從噴嘴噴到基材上，發生塑性形變并粘附在基材表面上。
普通的激光材料沉積，產生的涂層厚度通常至少為半毫米。這會消耗大量材料，也使精加工變得更加復雜。相比之下，EHLA 工藝可生產 25 到 250 微米之間的非常薄的層。因此，涂層更純凈、更光滑，粗糙度降低到之前的 1/10 左右；材料利用率達90% 。因此，它具有極高的資源效率和經濟性，這是在工業大規模生產環境中使用的基本要求。
△左側，傳統激光熔覆焊接（LMD或激光金屬熔覆）；右側，極高速激光金屬熔覆 (EHLA)
目前，對于涂覆的常用技術是高速氧氣燃料（HVOF）涂層，這是一種熱噴涂工藝，能夠用于改善或恢復部件的表面性質或尺寸，通過提高耐侵蝕、耐磨性和耐腐蝕性保護設備壽命。HVOF工藝通過專用噴嘴中產生的高溫高速燃燒火焰流，然后將粉末軸送入火焰中，形成致密、強粘附涂層。雖然這種方法十分有效，但是危險性相當高，對于操作員的技術要求也很高，無形中增加了使用成本。
△工藝鏈從六個減少到四個步驟
與HVOF噴涂的熱涂層相比，AMCoating的EHLA工藝還擁有許多優勢：無需對制動盤進行機械和熱預處理，工藝鏈從六個減少到四個步驟。除了高速之外，EHLA還有優于氧氣燃料噴涂的優勢：
通過分子鍵提高附著力
粉體利用率高
涂覆0.1毫米范圍內的更薄層
具有不同特性和厚度的層
制動盤的熱量輸入更低，熱影響區更小
△激光熔覆金屬3D打印涂層的主軸，圖/南極熊駐歐洲志愿者
使用激光金屬沉積技術的AM Cube
南極熊了解到，除了AM Coating之外，這家公司還擁有一種使用激光技術沉積技術的3D金屬打印系統：AM Cube，也可以實現剎車盤表面處理過程。激光金屬沉積技術將原料材料（基于Fe/Ni/Co）用激光束熔化，并通過冶金結合熔合到基材（鋼或鎳基合金）上。該工藝的好處之一是降低了熱負荷，非常適合修復損壞、在選定點加固部件以及通過材料沉積恢復部件的原始幾何形狀。
△AM Cube
這種沉積技術分為線基激光沉積（LMD-W）技術和粉末基激光沉積（LMD-P）技術，再搭配AM Cube最多5軸的的機械臂控制系統和西門子的組件，能夠涂覆和修復尺寸最大為500毫米的部件、長達一米的圓柱形部件以及半成品的近凈形生產。
△多軸控制系統
線基激光金屬沉積 (LMD-W)：借助這項技術，激光束將基材（在本例中為線材）熔化，然后熔化物融合在一起并固化。由于工件是逐層構建的，因此可以創建復雜的幾何形狀。線材的一大優勢是高沉積率。激光的靈活性使這項技術適用于精細表面和大堆積率。AM Cube中的材料進料采用同軸送絲形式，可在所有焊接方向上工作。材料以干凈的方式進料，并100%被利用。為防止氧化，沉積過程在密封系統中使用保護氣體進行。
△激光金屬沉積- 線材 (LMD-W)：1. 3光束激光器。2. 保護氣體噴嘴。3. 線嘴。4.保護氣區。5. 焊池。6. 焊道。7.粘附區。8. 基材。9. 線。
粉末基激光金屬沉積 (LMD-P)：這個過程也用于AM Cube。在這種情況下，送入熔池的原料是粉末形式，非常適合薄涂層。同軸噴嘴使該過程適用于任何焊接方向。
△激光金屬沉積- 粉末 (LMD-P)：1. 激光束。2. 粉嘴。3. 粉。4.保護氣區。5. 焊池。6. 焊道。7.粘附區。8. 基材。
從“一點”出發，帶動3D打印技術
或許你會覺得，這樣一個小應用并不是非?！拔Α?。但是，隨著全球電動汽車、飛機等交通工具的飛速發展，制動系統成了安全必不可缺的一環，需求量和普及率相當可觀。有報告指出，亞太制動系統市場估計是增長最快的區域市場。中國、日本、韓國和印度越來越多地采用先進的制動系統技術。到2026年，中國乘用車產量預計將達到2400萬輛，為國內外制動系統制造商提供了巨大的機遇。不僅乘用車，2026年，卡車也將達到200萬輛。
△切割環
如此大規模的需求勢必對生產效率和速度有相當高的刺激作用。尤其是在疫情影響之后，市場更青睞于靈活、快速的制造方式。3D打印在此時入局加速了這項應用的發展，或許也將反作用于技術本身的推廣，相輔相成。期待未來還會有更多這樣的成功案例，讓更多的人看到這項技術的未來！
△國內外做激光送粉金屬3D打印的廠商，即將迎來一個全新的量產級規模應用市場。圖片/2021年中國3D打印格局
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