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为什么公司都坚定地选择采用增材制造技术?

增材制造3D打印
发布:2021-01-11 15:11:46    


大型机器人3D打印

人工智能构建3D打印革命是缓慢而稳定的,但具有极高的颠覆性。

这种变革性的工业生产方法使工程师能够快速创建原型,有时还能制造更轻,更坚固的零件,而成本却比更常用的减法制造方法低了几分之一。从逻辑上讲,个人,公司和机构都被这一价值主张所吸引。

2019年,3D打印或增材制造(AM)市场价值为137亿美元,同比增长14.4%。 各种估计表明,到2026年,新兴产业的市场价值将达到约410亿美元。

为什么? 早期,增材制造主要关注消费者的意图,而不是工业价值。几十年来,人们对上述技术的看法发生了变化。3D打印技术已经发展成为一种强大的工具,不仅可以用于快速成型,而且已经发展成为一种用于生产低产量终端零件的有用机制。

在汽车和航空航天行业的推动下,工程师们正在探索将3D打印技术集成到工作流中的各种方法。像布加迪这样的汽车领导者已经使用AM印刷旗舰车的某些零件。波音和空中客车公司也一直在使用增材制造技术来为其飞机,卫星和直升机开发和生产某些零件。

服装公司阿迪达斯(Adidas)和耐克(Nike)正在使用3D打印技术来提高其一些雄心勃勃的运动鞋设计的产量。

餐馆正在探索各种打印食物甚至饮料的方法。医学专业人员开始打印功能正常的器官和类器官。这仅仅是开始。

增材制造已经渗透到几乎每个主要行业。但是,尽管该技术为工程师提供了一些令人兴奋的工作流程优势,但AM确实有其局限性。

今天,我们将研究一些公司如何使用增材制造,以及这场革命的局限性。但是首先,什么是增材制造?

什么是增材制造?

 
资料来源:Form Labs

术语增材制造和3D打印倾向于互换使用。但是,它们不一定是同一件事。我们将在一秒钟内解决这个问题。无论是在办公室桌面还是仓库的生产车间,3D打印都基于相同的原理。

该技术使用专用的“打印机”,该打印机使用专用的细丝作为“墨水”,以便将使用计算机辅助设计(CAD)开发的数字模型转换为物理三维对象。为此,通常一次添加一层“墨水”。这是术语“增材制造”的来源。此过程与传统的减法制造(如CNC加工)的工作方式完全不同。

此外,AM除了打印机,细丝和CAD模型外不需要其他特殊工具。将项目直接制造到构建平台上。这为工程师提供了一系列独特的好处,例如以相对较低的成本创建复杂的几何零件,低成本的启动和原型制作以及相对容易地操纵材料的能力。

增材制造和3D打印通常可互换使用。术语AM倾向描述包括3D打印技术的复杂工业过程。用于创建功能性原型,模具,模具嵌件和最终用途产品的整个精简3D制造过程称为增材制造。

3D打印习惯性地用于描述打印的各个过程以及该技术的消费者方面。尽管本文将主要侧重于3D打印技术的工业方面,但为简单起见,我们将互换使用这些短语。

公司拥有广泛的3D打印技术和流程可供选择

ISO / ASTM 52900标准将各种3D打印方法分为几类。今天,我们将列出工业领域中最常用的技术。

材料挤出 是通过喷嘴或孔口选择性分配材料的过程。熔融沉积建模(FDM)属于此类别。它是最著名的增材制造工艺之一,被发烧友和制造商共同使用。它既适用于原型设计,又具有某些功能性的终端应用。

该方法涉及使用绕线的聚合物长丝或材料,其通过安装在活动臂上的加热喷嘴挤出或拉伸。

汽车行业使用诸如Fortus 900mc之类的Stratasys FDM打印机来快速进行原型设计和基本组件。FDM打印轻型复合零件,耐用夹具和固定装置在航空航天工业中也很常见。 英国马歇尔航空航天与国防公司甚至正在使用FDM技术来生产可飞行的零件。

桶聚合技术 诸如立体光刻(SLA)和数字光处理(DLP)之类的使用液态光敏聚合物,这些光敏聚合物使用紫外线选择性地固化以生成3D对象。诸如New Balance,Adidas和Nike之类的公司已经使用SLA技术来增强传统制造方法并批量生产定制中底。


 阿迪达斯的Futurecraft 3D打印运动鞋(鞋底)。资料来源:阿迪达斯

粉末床融合 包括选择性激光烧结(SLS),直接金属激光烧结(DMLS)和选择性激光熔化(SLM)。这种增材制造工艺涉及使用激光,电子束或热敏打印头在三维空间中融化或部分融化超细材料层。DMLS / SLM技术通常用于制造具有传统方法无法生产的复杂几何形状的金属零件。

这种技术还使用难以用其他技术处理的金属合金,例如金属超级合金。NASA已使用DMLS / SLM技术来制造火箭发动机组件。在美国和澳大利亚军方 还使用粉末床融合技术在该领域创造的武器和工具。通用汽车(GM)和福特(Ford)等汽车公司都使用此增材制造工艺来生产汽车零部件。


 

材料喷射 与喷墨打印机有一些相似之处。但是,不是在纸上打印单层墨水,而是沉积了多层材料以构成实体。材料的液滴被选择性地沉积并固化在构建平台上。材料喷射被认为是最精确的3D打印技术,可与注塑成型相媲美。

但是,由于这种3D打印技术的成本很高,与其他高保真技术(例如DLP或SLA)相比,材料喷射并不总是适合于功能性应用。但是,它非常适合需要出色外观和外观的逼真的原型和组件。

在航空航天领域使用材料喷射技术来制造用于商用飞机的金属零件,以及用于基本飞机零件的高细节验证原型。

同样,工程师可以使用大量材料来创建3D打印对象

 
使用SLS打印的零件。资料来源:Sinterit

热塑性塑料 是最常用的增材制造材料。常用的热塑性塑料包括丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS),聚乳酸(PLA)和聚碳酸酯(PC)。尽管更广泛地用于原型制作,但它们确实为制造商提供了一些功能应用程序。它们往往用于需要高度详细信息的过程。

JetX工程公司使用增材制造技术来革新航空航天教育。该团队使用多种热塑性塑料,创建了喷气发动机的比例测试模型。其高度逼真的引擎具有515个零件,使用2900个小时的打印时间和将近5公里的灯丝制成。

金属 是我们名单上的下一个。通过使用DMLS / SLM,公司可以生产坚固的轻型功能金属零件。当前可用的增材制造技术可用于制造贵金属,例如金和银,以及战略金属,例如不锈钢和钛。

福特汽车公司是最早采用3D打印的公司之一。他们不仅使用增材制造来创建和测试原型,而且福特团队还使用增材制造来制造2020 Shelby GT500的驻车制动支架。制动器的制造过程采用DLS 3D打印技术,并由EPX 82材料制成。

氧化锆,氧化铝和磷酸三钙等陶瓷也可以用于3D打印方法,为制造商提供耐热的印刷部件。

荷兰AM公司Formatec Ceramics专门从事陶瓷技术部件的制造。他们生产用于医疗行业的植入物,以及复杂的热交换器和传感器等高科技航空零件。

 
Marforged Metal X打印机。资料来源:Markforged

生化产品 是增材制造领域的新兴领域。研究人员在生物印刷领域取得了新的进展,使用由细胞和生物聚合物制成的生物墨水来创造组织甚至器官。

在生物打印领域,澳大利亚初创公司Inventia Life Science一直在研究一种方法,该方法可使医生将皮肤直接3D打印到病人的伤口上。使用与喷墨打印相同的原理,将皮肤细胞以微小的皮肤细胞小滴的形式沉积在患处。

有一些特定行业正在加速AM的采用

航天

 
NASA增材制造的铜合金燃烧室的热火测试来源:NASA

航空航天工程师经常利用3D打印技术来制造高性能零件。具有高强度/重量比的拓扑优化结构的生产能力以及将多个组件整合为单个零件的能力对工程师来说非常有吸引力。AM已帮助航空航天公司节省了大量资金。通过3D打印地球和太空中的各种组件,工程师可以对飞机的有效载荷,排放,燃料消耗,速度和安全性产生积极影响。

药物


 生物凝胶中的3D打印心脏。来源:3D Natives

生物打印的增材制造技术是3D打印的分支。该过程涉及从供体中取出细胞,将其转变为可打印的生物墨水,该墨水通过打印机进料,并逐层制造以创建可用于移植的组织。

这项技术还处于初期阶段,但是全世界的研究人员已经在实验室内打印出了人类的皮肤,心脏,肺,骨骼和肝脏。将来,打印功能齐全的器官可能变得司空见惯。

更传统的SLA 3D打印技术也被用于创建自定义3D打印模型,解剖模型,以计划和实践手术,教育和功能假肢。

汽车行业

 
资料来源: Czinger

增材制造在整个汽车设计工作流程中的进度正在放缓,从而大大减少了新车模型的设计时间和交付时间。材料挤压和材料喷射被用于设计沟通,原型设计,原型验证以及生产工作流程的预生产阶段。通常会打印定制夹具,固定装置和其他工具,以帮助降低成本。

机器人技术
 

机器人工程师能够使用3D打印以减轻重量和成本的方式创建针对特定任务定制的组件。夹持器和传感器支架等常用零件的制造成本通常很高,需要针对不同用途进行定制设计。工程师能够将3D打印机用于手臂末端的工具和最终使用的零件。Haddington Dynamics使用其打印机为NASA和GoogleX打印机器人手臂,其成本比传统制造工艺低58%。

增材制造有其局限性

与通过其他制造方式制造的零件相比,3D打印物体具有较低的强度和各向异性的材料特性。逐层打印的零件往往在一个方向上变弱并且变脆约10%到50%。

并非总是如此,因为某些DMLS和SLM印刷技术制造的金属部件比散装材料具有更好的机械性能。但是,材料强度弱阻碍了3D打印在更关键的功能应用中的使用。

增材制造的最大缺点之一是规模经济。在进行大批量生产时,CNC机加工和注塑成型是最具成本效益的。与上述替代品相比,数量更多时,单价不会减少太多。

其他因素,例如小规模零件的印刷速度以及缺乏一致性,将阻止AM超越标准制造,而AM往往是一次性生产和低产量终端零件的首选方法。AM的创新可能会在未来十年改变一切。

公司何时更喜欢使用传统制造业?


 资料来源:3D集线器

公司将在广泛的场景中选择诸如3D打印上的CNC加工之类的减法技术。当生产100或更高的零件时,由于规模经济,CNC加工更经济。

如果制造商需要具有简单几何形状的零件,那么减法工艺往往是最佳选择。最后,通常使用CNC加工来创建公差要求严格的功能部件或对材料要求很高的组件。

增材制造仍然是可行的制造方法

3D打印会一起消除传统制造业吗?不能。增材制造不能替代CNC加工或注塑成型。全球制造业目前的价值为12.7万亿美元。这意味着增材制造占全球制造业的不到0.1%。该技术的局限性可能会将其限制在低产量的制造和原型制造中。

但是,这不会使技术破坏性降低。如果有的话,3D打印技术已经在航空航天,医药和汽车行业找到了永久的住所。

在未来十年中,该技术可能会与更传统的制造方法一起使用,以创建数字制造生态系统。

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