歐盟推出一個新的汽車行業(yè)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(jīng)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(tǒng)，在剎車盤市場應(yīng)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(diào)查表明，制動系統(tǒng)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(guān)鍵。3D打印技術(shù)或成為解決這一問題的途徑，撬動未來的制動系統(tǒng)市場。
常規(guī)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(fā)生氧化，生成鐵銹。如果制動盤在使用過程中遇水還會發(fā)生電化學反應(yīng)，短時間就會產(chǎn)生銹斑。因此，表面處理工藝成了剎車盤性能的關(guān)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(shù)進行涂層轉(zhuǎn)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(huán)境問題的關(guān)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(tǒng)市場向更加方便、快捷、經(jīng)濟的表面處理方式傾斜。南極熊發(fā)現(xiàn)，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(lǐng)先的加工中心和解決方案供應(yīng)商之一，在全球范圍內(nèi)設(shè)有生產(chǎn)和開發(fā)基地、銷售和服務(wù)子公司和代理機構(gòu)。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(tǒng)：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(xiàn)最短循環(huán)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(fā)工藝參數(shù)和小批量生產(chǎn)的較小系統(tǒng)；AM Coating TWIN，用于批量生產(chǎn)的全自動系統(tǒng)。
△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(shù)研究所 ILT 和亞琛工業(yè)大學開發(fā)的一種新涂層工藝，從標準激光金屬沉積工藝發(fā)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(chuàng)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(xiàn)更高的涂層速度。這和SPEE3D、Titomic等公司的冷噴涂技術(shù)似乎有些相似。不同的是，上述兩種冷噴涂技術(shù)通過將金屬粉末以超音速從噴嘴噴到基材上，發(fā)生塑性形變并粘附在基材表面上。
普通的激光材料沉積，產(chǎn)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(chǎn) 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(jīng)濟性，這是在工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)環(huán)境中使用的基本要求。
△左側(cè)，傳統(tǒng)激光熔覆焊接（LMD或激光金屬熔覆）；右側(cè)，極高速激光金屬熔覆 (EHLA)
目前，對于涂覆的常用技術(shù)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(zhì)或尺寸，通過提高耐侵蝕、耐磨性和耐腐蝕性保護設(shè)備壽命。HVOF工藝通過專用噴嘴中產(chǎn)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(shù)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(yōu)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(yōu)于氧氣燃料噴涂的優(yōu)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(nèi)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(qū)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(shù)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(shù)沉積技術(shù)的3D金屬打印系統(tǒng)：AM Cube，也可以實現(xiàn)剎車盤表面處理過程。激光金屬沉積技術(shù)將原料材料（基于Fe/Ni/Co）用激光束熔化，并通過冶金結(jié)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(shù)分為線基激光沉積（LMD-W）技術(shù)和粉末基激光沉積（LMD-P）技術(shù)，再搭配AM Cube最多5軸的的機械臂控制系統(tǒng)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(chǎn)。
△多軸控制系統(tǒng)
線基激光金屬沉積 (LMD-W)：借助這項技術(shù)，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(gòu)建的，因此可以創(chuàng)建復雜的幾何形狀。線材的一大優(yōu)勢是高沉積率。激光的靈活性使這項技術(shù)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(tǒng)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(qū)。5. 焊池。6. 焊道。7.粘附區(qū)。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(qū)。5. 焊池。6. 焊道。7.粘附區(qū)。8. 基材。
從“一點”出發(fā)，帶動3D打印技術(shù)
或許你會覺得，這樣一個小應(yīng)用并不是非常“吸睛”。但是，隨著全球電動汽車、飛機等交通工具的飛速發(fā)展，制動系統(tǒng)成了安全必不可缺的一環(huán)，需求量和普及率相當可觀。有報告指出，亞太制動系統(tǒng)市場估計是增長最快的區(qū)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(tǒng)技術(shù)。到2026年，中國乘用車產(chǎn)量預計將達到2400萬輛，為國內(nèi)外制動系統(tǒng)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(huán)
如此大規(guī)模的需求勢必對生產(chǎn)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(yīng)用的發(fā)展，或許也將反作用于技術(shù)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(shù)的未來！
△國內(nèi)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(chǎn)級規(guī)模應(yīng)用市場。圖片/2021年中國3D打印格局
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